معلومة

هل يمكن للفيروسات البقاء على قيد الحياة بمحلول الملح الفائق التشبع؟

هل يمكن للفيروسات البقاء على قيد الحياة بمحلول الملح الفائق التشبع؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كما نعلم ، هناك أدلة أقل على النشاط البيولوجي في البحر الميت (بحيرة مليئة بالمياه المالحة).

كما أن خلايا الدم لدينا لا تعيش في الكثير من المياه المالحة لأنها تتقلص وتموت.

لذلك كنت أفكر في ما إذا كانت الفيروسات تعيش في مياه مالحة شديدة التشبع.

وإذا بقوا على قيد الحياة فما الشيء الذي يجعلهم على قيد الحياة ويمنحهم القدرة على التسامح؟

وإذا قتلوا فكيف يقتلون؟


تمت دراسة هذه المسألة في تثبيط الفيروس بالملح (NaCl) والملح المضاف إليه الفوسفات في نموذج مصفوفة كولاجين ثلاثية الأبعاد لأغلفة النقانق الطبيعية. المجلة الدولية لعلم الأحياء الدقيقة الغذائي المجلد 148 ، الصفحات 128-134.

تم اختبار كلوريد الصوديوم المشبع على 4 أنواع من الفيروسات ، فيروس الحمى القلاعية (FMDV) ، فيروس حمى الخنازير التقليدية (CSFV) ، فيروس مرض حويصلي الخنازير (SVDV) وفيروس حمى الخنازير الأفريقية (ASFV) في أربعة درجات حرارة مختلفة: 4 و 12 و 20 و 25 درجة مئوية لمدة 30 يومًا.

بالنسبة للفيروسات ASFV ، ولكن ليس للفيروسات الثلاثة الأخرى ، كان لكلوريد الصوديوم المشبع تأثير كبير في تعطيل نشاط الفيروس ، في نطاق زمني أيام.


دليل لتفشي السالمونيلا

حماية الأطعمة من التلف الميكروبي باستخدام الملح (عادةً كلوريد الصوديوم) أو السكر (عادةً السكروز) لها جذور قديمة وغالبًا ما يشار إليها بالتمليح أو المعالجة بالملح أو الحفر أو المعالجة بالسكر. (تسمى قطع الملح الصخري المستخدمة في المعالجة أحيانًا الذرة ، ومن هنا جاء الاسم & quot ؛ لحم البقر. & quot) قد تستخدم المعالجة أشكالًا صلبة من الملح والسكر أو المحاليل التي يخلط فيها الملح أو السكر بالماء. على سبيل المثال ، محلول ملحي هو مصطلح لمحاليل الملح المستخدمة في عمليات المعالجة أو التخليل. تشمل الأمثلة على الأطعمة المحفوظة بالملح أو السكر اللحم البقري المذكور أعلاه بالإضافة إلى لحم الخنزير المقدد ولحم الخنزير المملح ولحم الخنزير المقدد والسكر ومعلبات الفاكهة والمربيات والهلام وغيرها.

هناك العديد من الأوصاف والتغييرات للمعالجة والتي قد تشمل تقنيات حفظ إضافية مثل التدخين أو المكونات مثل التوابل. ومع ذلك ، فإن جميع عمليات المعالجة تعتمد بشكل أساسي على استخدام الملح و / أو السكر كعامل (عوامل) الحفظ الأولية. بالمناسبة ، هذه العمليات لا تمنع فقط تلف الأطعمة ، ولكن الأهم من ذلك أنها تعمل على منع أو منع نمو مسببات الأمراض التي تنقلها الأغذية مثل السالمونيلا أو كلوستريديوم البوتولينوم عندما تطبق بشكل صحيح.

هناك عدة طرق يمنع بها الملح والسكر نمو الميكروبات. أبرزها التناضح البسيط أو الجفاف. يحاول الملح أو السكر ، سواء كان صلبًا أو مائيًا ، الوصول إلى توازن مع محتوى الملح أو السكر في المنتج الغذائي الذي يتلامس معه. هذا له تأثير سحب المياه المتاحة من داخل الطعام إلى الخارج وإدخال جزيئات الملح أو السكر في داخل الطعام. والنتيجة هي تقليل ما يسمى بالنشاط المائي للمنتج (أث) ، وهو مقياس لجزيئات الماء غير المنضمة والحرة في الطعام الضروري لبقاء الميكروبات ونموها. الث من معظم الأطعمة الطازجة 0.99 في حين أن أث ضروري لمنع نمو معظم البكتيريا حوالي 0.91. من ناحية أخرى ، تتطلب الخمائر والعفن عادة أقل من أث لمنع النمو.

تتضمن آليات الملح والسكر الأخرى المضادة للميكروبات التداخل مع نشاط إنزيم الميكروب وإضعاف التركيب الجزيئي للحمض النووي الخاص به. قد يوفر السكر أيضًا شكلاً غير مباشر للحفظ من خلال العمل على تسريع تراكم المركبات المضادة للميكروبات من نمو بعض الكائنات الحية الأخرى. تشمل الأمثلة تحويل السكر إلى إيثانول في النبيذ عن طريق الخمائر المخمرة أو تحويل السكر إلى أحماض عضوية في مخلل الملفوف بواسطة بكتيريا حمض اللاكتيك.

تختلف الكائنات الدقيقة على نطاق واسع في قدرتها على مقاومة التخفيضات التي يسببها الملح أو السكر في أث. لا تنمو معظم البكتيريا المسببة للأمراض تحت 0.94 أث (ما يقرب من 10 في المائة من تركيز كلوريد الصوديوم) ، في حين أن معظم العفن الذي يفسد الأطعمة تنمو بمعدلث يصل إلى 0.80 ، وهو ما يقابل محلول الملح أو السكر عالي التركيز. ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الدقيقة الأخرى تنمو جيدًا حتى في ظل ظروف تناضحية عالية ، منخفضة أث شروط. على سبيل المثال ، الهالوفيلات هي فئة كاملة من البكتيريا المحبة للمالحة والتي تتطلب في الواقع مستوى كبير من الملح لتنمو وقادرة على إفساد الأطعمة المعالجة بالملح. وتشمل هذه أعضاء من الأجناس هالوباسيلوس و هالوكوكوس. يمكن إفساد المنتجات الغذائية التي تكون محاليل سكرية مركزة ، مثل عصائر الفاكهة المركزة ، بسبب الخميرة المحبة للسكر مثل أنواع زيجوساكارومايسيس. ومع ذلك ، فإن استخدام علاج الملح والسكر لمنع نمو الميكروبات هو أسلوب قديم لا يزال مهمًا اليوم للحفاظ على الأطعمة.


علم الذوبان: ما هو الكثير؟

مقدمة
هل سبق لك أن أضفت ملعقة سكر إلى الشاي الخاص بك وتساءلت عن سبب اختفائها؟ اين ذهبت؟ لم يختفي السكر فعليًا وتغير [مدشيت] من شكله الصلب إلى شكل مذاب في عملية تسمى الانحلال الكيميائي. والنتيجة هي محلول شاي & ndashsugar حيث يتم توزيع جزيئات السكر الفردية بشكل موحد في الشاي. ولكن ماذا يحدث إذا زادت كمية السكر التي تضيفها إلى الشاي؟ هل ما زال يذوب؟ في هذا النشاط سوف تكتشف مقدار المركب الذي يكون أكثر من أن يذوب.

خلفية
الكيمياء هي دراسة المادة وكيف تتصرف وتتفاعل مع أنواع أخرى من المادة. كل شيء من حولنا مصنوع من مادة ، ويمكنك استكشاف خصائصه باستخدام مواد كيميائية شائعة في منزلك. الطريقة التي يتصرف بها تسمى خاصية المادة. خاصية واحدة مهمة تسمى الذوبان. نفكر في الذوبان عندما نذوب شيئًا ما في الماء أو في سائل آخر. إذا كانت مادة كيميائية قابلة للذوبان في الماء ، فإن المادة الكيميائية ستذوب أو تبدو وكأنها تختفي عند إضافتها إلى الماء. إذا لم تكن قابلة للذوبان أو غير قابلة للذوبان ، فلن تذوب وستظل تطفو في السائل أو في قاع الحاوية.

عندما تقوم بإذابة مادة كيميائية قابلة للذوبان في الماء ، فأنت تقوم بعمل حل. في المحلول ، تسمى المادة الكيميائية التي تضيفها المذاب ويسمى السائل الذي يذوب فيه المذيب. يعتمد ما إذا كان المركب قابل للذوبان أم لا على خواصه الفيزيائية والكيميائية. لتكون قادرة على الذوبان ، يجب أن يكون للمادة الكيميائية القدرة على التفاعل مع المذيب. أثناء عملية الذوبان الكيميائي ، يجب كسر الروابط التي تربط المذاب معًا وتشكيل روابط جديدة بين المذاب والمذيب. عند إضافة السكر إلى الماء ، على سبيل المثال ، تنجذب جزيئات الماء (المذيب) إلى جزيئات السكر (المذاب). بمجرد أن يصبح الجاذبية كبيرًا بدرجة كافية ، يكون الماء قادرًا على سحب جزيئات السكر الفردية من بلورات السكر السائبة إلى المحلول. عادةً ما تحدد كمية الطاقة اللازمة لكسر وتشكيل هذه الروابط ما إذا كان المركب قابل للذوبان أم لا.

بشكل عام ، كمية المادة الكيميائية التي يمكنك إذابتها في مذيب معين محدودة. في مرحلة ما يصبح المحلول مشبعًا. هذا يعني أنك إذا أضفت المزيد من المركب ، فلن يذوب بعد الآن وسيظل صلبًا بدلاً من ذلك. هذه الكمية تعتمد على التفاعلات الجزيئية بين المذاب والمذيب. في هذا النشاط سوف تستكشف كمية المركبات المختلفة التي يمكنك إذابتها في الماء. كيف تعتقد أن السكر والملح يقارن؟

  • ماء مقطرة
  • كوب قياس يقيس المليلتر
  • ثمانية أكواب أو أكواب تحتوي كل منها على ثمانية أونصات
  • أربع ملاعق
  • ملعقة قياس
  • أملاح إبسوم (150 جرام).
  • ملح الطعام (50 جرام)
  • سكر المائدة (سكر القصب ، 250 جرام)
  • صودا الخبز (20 جرام)
  • مقياس يقيس الجرام
  • علامة
  • شريط الإخفاء
  • ورق
  • قلم
  • ميزان حرارة (اختياري)


تحضير

  • باستخدام قلم التحديد والشريط اللاصق ، كوبان لكل مركب: & ldquotable salt، & rdquo & ldquotable sugar، & rdquo & ldquobaking soda & rdquo and ldquoEpsom salts. & rdquo
  • في كوب واحد من ملح الطعام ، ضع 50 جرامًا من الملح.
  • في كوب سكر مائدة واحد قم بقياس 250 جرام من السكر.
  • في كوب واحد من صودا الخبز ، ضع 20 جرامًا من صودا الخبز.
  • في كوب واحد من أملاح إبسوم ، قم بقياس 150 جرامًا من أملاح إبسوم.
  • قم بوزن كل كوب واكتب الكتلة (الوزن).
  • أضف 100 مل من الماء المقطر في كل كوب. استخدم كوب القياس للتأكد من احتواء كل كوب على نفس كمية الماء. يجب أن يكون الماء في درجة حرارة الغرفة ونفس الشيء بالنسبة لجميع الكؤوس. يمكنك استخدام مقياس حرارة للتحقق من ذلك.
  • خذ كلا الكوبين المسمى بملح الطعام. باستخدام ملعقة القياس ، أضف بعناية ملعقة صغيرة من ملح الطعام إلى 100 مل من الماء المقطر.
  • قلّب بملعقة نظيفة حتى يذوب الملح بالكامل. ماذا تلاحظ عند إضافة الملح إلى الماء؟
  • استمر في إضافة ملعقة صغيرة من الملح إلى الماء مع التقليب في كل مرة ، حتى لا يذوب الملح بعد الآن. ماذا يحدث عندما لا يذوب الملح بعد الآن؟
  • كرر هذه الخطوات مع كلا الكوبين المسمى أملاح إبسوم. في أي نقطة يصبح محلول أملاح إبسوم مشبعًا؟
  • كرر الخطوات مع صودا الخبز. كم عدد ملاعق صغيرة من صودا الخبز يمكنك تذويبها في الماء؟
  • كرر الخطوات مع السكر. هل أضفت سكرًا أكثر أم أقل مقارنة بالمركبات الأخرى؟
  • ضع كل كوب يحتوي على المواد الصلبة المتبقية على الميزان واكتب كتلة (وزن) كل كوب. كم كنت تستخدم من كل مادة؟
  • اطرح الكتلة المقاسة من الكتلة الأولية (انظر التحضير) لكل مركب. ماذا يخبرك الاختلاف في الكتلة عن قابلية الذوبان لكل من المركبات؟ ما المركب الأكثر ذوبانًا في الماء المقطر أو الأقل ذوبانًا فيه؟
  • إضافي:هل تتغير القابلية للذوبان إذا استخدمت مذيبًا مختلفًا؟ كرر الاختبار ، ولكن بدلاً من استخدام الماء المقطر ، استخدم الكحول المحمر أو الزيت النباتي أو مزيل طلاء الأظافر كمذيب. كيف يغير هذا نتائجك؟
  • إضافي: هل يمكنك العثور على مواد أو كيماويات أخرى يمكنك إذابتها في الماء المقطر؟ كيف تقارن قابليتها للذوبان مع المركبات التي اختبرتها؟
  • إضافي: كما أن قابلية ذوبان المركبات تعتمد بشكل كبير على درجة حرارة المذيب. هل تعتقد أنه يمكنك إذابة المزيد من الملح أو السكر في الماء الساخن أو البارد؟ اختبرها لتكتشف!

الملاحظات والنتائج
هل ذابت جميع مركباتك المختبرة في الماء المقطر؟ يجب أن يكون لديهم & لكن بدرجات مختلفة. الماء بشكل عام مذيب جيد جدًا وقادر على إذابة الكثير من المركبات المختلفة. هذا لأنه يمكن أن يتفاعل مع الكثير من الجزيئات المختلفة. يجب أن تكون قد لاحظت أن السكر لديه أعلى قابلية للذوبان من بين جميع المركبات المختبرة (حوالي 200 جرام لكل 100 ملليلتر من الماء) يليه أملاح إبسوم (حوالي 115 جرام / 100 ملليلتر) ملح الطعام (حوالي 35 جرام / 100 ملليلتر) وصودا الخبز (حوالي 35 جرام / 100 ملليلتر) وصودا الخبز (حوالي 115 جرام / 100 ملليلتر) حوالي 10 جرام / 100 مليلتر).

هذا لأن كل من هذه المركبات لها خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة بناءً على هياكلها الجزيئية المختلفة. كلها مصنوعة من عناصر كيميائية مختلفة وتشكلت من أنواع مختلفة من الروابط. اعتمادًا على هذا الهيكل ، يصعب على جزيئات الماء تقريبًا كسر هذه الروابط وتشكيل روابط جديدة مع الجزيئات الذائبة من أجل إذابتها في محلول.

تنظيف
يمكنك التخلص من كل من الحلول الخاصة بك في الحوض. استمر في تشغيل المياه لفترة بعد ذلك لغسل الحوض بشكل صحيح. تخلص من جميع المواد الصلبة المتبقية في سلة المهملات العادية. اغسل يديك بالماء والصابون.

جلب لك هذا النشاط بالشراكة مع Science Buddies


نقاط أخرى

  • يُعرف اليود بأنه مطهر عالمي منذ 150 عامًا.
  • يقتل اليود البكتيريا والفيروسات والفطريات والأوليات وحتى جراثيم البكتيريا والفطريات ، بما في ذلك جراثيم الجمرة الخبيثة. تم استخدام اليود بنجاح ضد فيروسات الأنفلونزا ، والهربس ، والجدري ، وجدري الماء.
  • لا يوجد كائن حي يطور مقاومة اليود.
  • المحاليل المائية مثل Lugol هي مبيدات الجراثيم المتفوقة.
  • كان جائحة عام 1918 غير عادي لأنه أثر على الشباب الأصحاء ، وخاصة الجنود. & # 8211 أنا شخصياً أجد هذا مثيرًا للاهتمام ، نظرًا للعلاقة بين إشعاع EMF والمرض. لقد صادفنا للتو أن بدأنا الاتصال بالطائرات العسكرية والغواصات عبر إشعاع EMF قبل أشهر من هذا الوباء. كان من الممكن أن يتعرض الجنود لهذا الإشعاع الجديد بمعدل أعلى بكثير.

شطف بالماء المالح. يمكن أن يساعد صنع غسول بالماء المالح للغرغرة في فمك على قتل البكتيريا الضارة المسببة للتسوس. تشمل فوائد الغرغرة بالماء المالح قتل البكتيريا بشكل مباشر نتيجة التناضح كما هو موضح أعلاه وزيادة الرقم الهيدروجيني في فمك مؤقتًا. هذا يخلق بيئة قلوية لا تستطيع معظم بكتيريا الفم البقاء فيها.

ببساطة امزج 1/2 ملعقة صغيرة ملح في كوب واحد من الماء الدافئ. تغرغر بهذا المحلول لمدة 30 ثانية قبل أن تبصقه. لا ابتلاع.


التجارب مع البكتيريا المقاومة للملوحة في محلول ملحي لها آثار على الحياة على المريخ

تمكنت البكتيريا المقاومة للملح المزروعة في محلول ملحي من الانتعاش بعد وضع المحلول الملحي في دورة التجفيف وإعادة الترطيب. البحث له آثار على إمكانية الحياة على المريخ ، وكذلك على خطر تلويث المريخ والأجسام الكوكبية الأخرى بالميكروبات الأرضية. يتم تقديم البحث في ASM Microbe 2019 ، الاجتماع السنوي للجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة.

قال مارك شنيجورت ، دكتوراه ، أستاذ العلوم البيولوجية في جامعة ولاية ويتشيتا ، ويتشيتا ، كانساس: "إن عرضنا هو أول عرض للميكروبات التي تعيش وتنمو بعد تجفيفها ثم إعادة ترطيبها بالرطوبة فقط".

أثناء الجفاف ، يحتوي سطح المريخ على أملاح كبريتات وفيرة من الكالسيوم والحديد والمغنيسيوم والتي يمكن أن تشكل محلول ملحي مشبع - حتى في بعض درجات الحرارة المتجمدة التي تسود على سطح الكوكب الأحمر - والتي يمكن أن تكون متوافقة مع الكائنات الحية الدقيقة الأرضية ، أو التي يمكن أن تؤوي ميكروبات المريخ.

على الرغم من الجفاف الواضح للكوكب الأحمر ، يُعتقد أن الرطوبة تصل إلى 80٪ إلى 100٪ في الليل ثم تنخفض خلال النهار مع ارتفاع درجات الحرارة.

قال الدكتور شنيغورت: "هناك احتمال كبير بأن الأملاح السطحية قد تكون قادرة في بعض الأحيان على جذب كمية كافية من الماء لتكوين محلول ملحي يمكن أن يدعم نمو الميكروبات". "قد يساعد البحث الحالي أيضًا في إعادة تعريف ما يشكل منطقة صالحة للسكن ، وتوسيع نطاق البحث عن الحياة ليشمل عوالم جليدية أخرى."

في الدراسة ، قام الباحثون بتنمية أنواع هالوموناس و المارينوكوكس تم الحصول عليها من البحيرة الساخنة ، في واشنطن ، وجريت سولت بلينز ، في أوكلاهوما ، في وسائط تحتوي على 50٪ كبريتات المغنيسيوم و 50٪ ماء. أخذوا قطرات صغيرة من المزرعة المزروعة وجففوها في وعاء به مواد كيميائية ماصة للماء تحت فراغ ، يستغرق حوالي ساعتين. تم غلق القطرات المجففة في جرة ميسون مع بعض الماء أو محلول ملحي ، وتمتلئ الجرة بالرطوبة. في غضون يوم واحد ، تمتص الأملاح الموجودة في المزرعة الجافة كمية كافية من الماء لصنع محلول ملحي سائل ، وعند هذه النقطة تنعش الخلايا البكتيرية. في حين أن هناك موتًا متواضعًا للخلايا مع كل دورة - عادة أقل من 50٪ - تبقى نسبة كبيرة من الخلايا على قيد الحياة.

في التجارب التي لم يتم فيها إضافة الماء مباشرة إلى المزارع المجففة ، احتفظ الباحثون بالمزارع في جرة محكمة الغلق ، فوق طبقة من الماء أو محلول ملحي. شكلت كبريتات المغنيسيوم الجافة والجذابة للماء محلول ملحي مشبع في أقل من يوم عن طريق امتصاص الرطوبة من الهواء داخل الجرة. انتعشت الخلايا الباقية على قيد الحياة وبدأت في النمو لتصل إلى كثافة استزراع عالية.

قال الدكتور شنيغورت: "الماء السائل هو مفتاح الحياة". "من المحتمل أن تكون المياه السائلة على المريخ مشبعة بالأملاح. نحن نعمل في حدود الحياة لإظهار التحمل الميكروبي للأملاح العالية ودرجات الحرارة المنخفضة."

"فهم كيفية نمو الميكروبات على المريخ يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمخاطر تلويث المريخ أو الأجرام السماوية الأخرى بالكائنات التي يمكن أن تنمو في هذه العوالم. وهذا يتحدث أيضًا عن تعريف المناطق الصالحة للسكن والبحث عن الحياة على المريخ والعوالم الجليدية قال الدكتور شنيغورت.


المياه المالحة والملوحة

في حياتك اليومية ، لا تشارك كثيرًا في المياه المالحة. أنت مهتم بالمياه العذبة لتلبية كل احتياجات حياتك. لكن معظم مياه الأرض ، وتقريبًا كل المياه التي يمكن للناس الوصول إليها ، هي مياه مالحة أو مالحة. انظر فقط إلى المحيطات وتذكر أن المحيطات تشكل حوالي 97٪ من إجمالي المياه الموجودة على الأرض وداخلها وفوقها.

لماذا المحيط مالح؟ تصريف الأنهار المياه الغنية بالمعادن إلى المحيطات من التدفق الخارج من الأنهار ، التي تستنزف المناظر الطبيعية ، مما يتسبب في أن تصبح المحيطات مالحة.

ما هي المياه المالحة؟

أولاً ، ماذا نعني بـ "المياه المالحة"؟ يحتوي الماء المالح على كميات كبيرة (يشار إليها باسم "التركيزات") من الأملاح الذائبة ، وأكثرها شيوعًا هو الملح الذي نعرفه جيدًا - كلوريد الصوديوم (NaCl). في هذه الحالة ، يكون التركيز هو كمية الملح (بالوزن) في الماء ، كما يتم التعبير عنها في "أجزاء في المليون" (جزء في المليون). إذا كان الماء يحتوي على تركيز 10000 جزء في المليون من الأملاح الذائبة ، فإن واحد بالمائة (10000 مقسومًا على 1000000) من وزن الماء يأتي من الأملاح الذائبة.

فيما يلي معاييرنا للمياه المالحة:

  • المياه العذبة - أقل من 1000 جزء في المليون
  • مياه مالحة قليلاً - من 1000 جزء في المليون إلى 3000 جزء في المليون
  • مياه مالحة معتدلة - من 3000 جزء في المليون إلى 10000 جزء في المليون
  • مياه شديدة الملوحة - من 10000 جزء في المليون إلى 35000 جزء في المليون
  • بالمناسبة ، تحتوي مياه المحيطات على حوالي 35000 جزء في المليون من الملح.

المياه المالحة ليست فقط في المحيطات

بطبيعة الحال ، عندما تفكر في المياه المالحة تفكر في المحيطات. ولكن ، على بعد مئات الأميال من المحيط الهادئ ، يمكن لسكان ولايات مثل كولورادو وأريزونا "الاستمتاع بيوم على الشاطئ" بمجرد المشي خارج منزلهم ، فقد يكونون بجوار المياه المالحة مباشرة. توجد كمية كبيرة من المياه شديدة الملوحة في الأرض في غرب الولايات المتحدة. في نيو مكسيكو ، ما يقرب من 75 في المئة من مياه جوفية ملحي للغاية بالنسبة لمعظم الاستخدامات دون علاج (رينولدز ، 1962). قد تكون المياه في هذه المنطقة متبقية من العصور القديمة عندما احتلت البحار المالحة غرب الولايات المتحدة ، وكذلك الأمطار. يتسلل إلى أسفل إلى الأرض ، يمكن أن تواجه صخورًا تحتوي على معادن عالية الذوبان ، والتي تحول الماء إلى ملوحة. مياه جوفية يمكن أن توجد وتتحرك لآلاف السنين وبالتالي يمكن أن تصبح مالحة مثل مياه المحيط.

يمكن رؤية انخفاض منسوب المياه في البحيرة بوضوح من خلال الخطوط المتوازية ورواسب البحيرة ذات اللون الأبيض التي تحيط بالشاطئ. أدى تحويل تدفق المياه العذبة إلى مدينة لوس أنجلوس والتبخر إلى انخفاض منسوب المياه بمعدل 1 متر سنويًا. الجبال المغطاة بالثلوج في الخلفية هي سييرا نيفادا.

بحيرة مونو في كاليفورنيا هي البقايا المالحة لبحيرة أكبر بكثير (بحيرة راسل) التي ملأت حوض مونو منذ ملايين السنين. كانت بحيرة المياه العذبة القديمة أعلى بحوالي 130 مترًا من مستوى المياه الحالي. بحيرة مونو هي الآن بقايا عالية الملوحة من بحيرة راسل ، حيث يتم تصريف الكثير من مياهها العذبة لتلبية احتياجات المياه لمدينة لوس أنجلوس. تنخفض مستويات المياه حاليًا بنحو متر واحد سنويًا. وقد أدى ذلك إلى ترك رواسب مالحة على الشاطئ مع انحسار المياه.

هل يمكن استخدام المياه المالحة لأي شيء؟

لذا ، مع كل المياه المتوفرة على الأرض وكل تلك المياه المالحة الموجودة قبالة سواحلنا ، كيف نشعر بالقلق من نقص المياه؟ يمكنك التفكير في الأمر على أنه حالة تتعلق بجودة المياه وليس حالة كمية المياه. في حالتها الخام ، لا يمكن استخدام المياه المالحة للعديد من الأغراض التي نحتاج إلى المياه من أجلها ، مثل الشرب والري والعديد من الاستخدامات الصناعية. تستخدم المياه المالحة قليلاً في بعض الأحيان لأغراض مماثلة للمياه العذبة. على سبيل المثال ، في كولورادو ، يتم استخدام المياه التي تحتوي على ما يصل إلى 2500 جزء في المليون من الملح لري المحاصيل. عادة ، على الرغم من أن المياه المالحة المعتدلة إلى العالية لها استخدامات محدودة. بعد كل شيء ، لا تشرب الماء المالح في المنزل ، ولا تستخدمه لسقي الطماطم أو تنظيف أسنانك ، لا يقوم المزارعون عادة بالري بها ، ولا تستطيع بعض الصناعات استخدامها دون إتلاف معداتهم ، وأبقار المزارع جو لن تشربه.

إذا لم يكن هناك شيء آخر ، يمكن أن تكون المياه المالحة مجرد متعة بسيطة. إذا كنت من الأشخاص الذين ذهبوا إلى البحر الميت في الشرق الأوسط ، فقد تكون قد اختبرت الإحساس الفريد بالطفو في المياه شديدة الكثافة (والمالحة) التي تجعلك على ما يبدو مثل الفراش. الماء كثيف جدًا لدرجة أنك لا تغرق حقًا ، كما تفعل في المياه العادية ، وحتى مياه المحيط. بالقرب من المنزل ، يقوم العديد من أصحاب المنازل الذين لديهم أحواض في الفناء الخلفي بملئها بالمياه المالحة ، بدلاً من الاضطرار إلى استخدام المياه العذبة والكلور المضاف.

إذن ، في أي شيء آخر يمكن استخدام المياه المالحة ، وهل يمكن جعلها أكثر قابلية للاستخدام؟

هناك إجابتان - كلاهما "نعم". المياه المالحة مفيدة للبعض استخدام المياه يمكن تحويل المياه المالحة إلى مياه عذبة ، والتي لدينا العديد من الاستخدامات.

سحب المياه المالحة في الولايات المتحدة ، حسب فئة الاستخدام ، لعام 2015.

استخدام المياه المالحة في الولايات المتحدة عام 2015

في عالم اليوم ، ندرك جميعًا الحاجة إلى الحفظ مياه عذبة. مع الطلب المتزايد باستمرار على المياه من خلال النمو السكاني المتزايد في جميع أنحاء العالم ، فمن المنطقي محاولة إيجاد المزيد من الاستخدامات لإمدادات المياه المالحة الوفيرة الموجودة ، بشكل رئيسي في المحيطات. كما تظهر هذه الرسوم البيانية الدائرية لاستخدام المياه في الأمة ، فإن حوالي 16 في المائة من جميع المياه المستخدمة في الولايات المتحدة في عام 2015 كانت مالحة. يوضح الرسم البياني الثاني أن جميع عمليات سحب المحلول الملحي تقريبًا ، والتي تزيد عن 97 في المائة ، قد تم استخدامها من قبل شركة الطاقة الكهروحرارية صناعة لتبريد معدات توليد الكهرباء. تم استخدام حوالي ثلاثة بالمائة من المياه المالحة للأمة التعدين و صناعي المقاصد.


امتحان علم الأحياء 1

من المرجح أن تتمكن العث ذات الخراطيم الطويلة من الوصول إلى رحيق الأوركيد وبالتالي فهي أكثر عرضة للبقاء على قيد الحياة للتكاثر.

التمثيل الغذائي - يستخدم Autotrophs الطاقة من الشمس

الاستتباب - يسمى الحفاظ على الثبات الداخلي _______

التكاثر أو النمو أو التطور - يعتبر البلوغ للوصول إلى مرحلة النضج جزءًا من _______

المجال - Eukarya ، الفئة التصنيفية الأكثر شمولاً ، المجموعة التصنيفية التي تحتوي على جميع البكتيريا

البكتيريا - بكتيريا العقدية

تابع - تقيس درجة غليان الماء على ارتفاعات مختلفة تقيس درجة تجمد الماء في وجود كميات مختلفة من الملح

التحلل المائي - تتفكك جزيئات الماء ، وتتفكك البوليمرات ، ويحدث في معدتك كجزء من عملية الهضم

2 روابط تساهمية غير قطبية - ذرتان غير سلبيتين للغاية تنجذبان إلى بعضهما البعض وتتشاركان الإلكترونات

3 روابط هيدروجينية - ينجذب جزيء قطبي إلى جزيء قطبي آخر

عنصر الكتلة الأساسي - الكربون والنيتروجين والهيدروجين والكالسيوم

يشارك تخليق الجفاف في التفاعلات التي تجمع بين المونومرات العضوية لإنتاج البوليمرات.

محايد - ماء نقي ، درجة حموضة 7

الدهن - ميزته الرئيسية هي خاصية مقاومة الماء المخزنة في الأنسجة الدهنية

الحمض النووي - الحمض النووي ، الحمض النووي الريبي ، مونومراته تسمى نيوكليوتيدات ، تتكون الجينات من هذا

الدهون الثلاثية - تعمل في تخزين الطاقة على المدى الطويل ، ويمكن أن تكون سلاسل الهيدروكربون مشبعة وغير مشبعة ، وتتكون من 3 أحماض دهنية مرتبطة بجزيء الجلسرين

الشموع - تشكل أختامًا لا يستطيع الماء اختراقها

البروتينات - الهيموجلوبين والإنزيمات أمثلة ، مجموعة واسعة من الوظائف من نقل المواد إلى تنفيذ التفاعلات الكيميائية

الأحماض النووية - النوكليوتيدات ، وتخزين المعلومات الوراثية واستخدامها في الخلايا ، والحمض النووي والحمض النووي الريبي هي أمثلة

ستؤدي إضافة قاعدة إلى محلول حمضي إلى تقريب الرقم الهيدروجيني للمحلول إلى 7.

يتضمن تفاعل التحلل المائي انقسام جزيء الماء في كل مرة يتم فيها كسر رابطة في البوليمر لإنتاج مونومر.

تسمح الستيرولات المدمجة في الطبقة الثنائية للغشاء بالبقاء سائلاً عند درجات حرارة مختلفة.

تساعد بعض البروتينات المضمنة في الغشاء في نقل الجزيئات الكبيرة عبر الطبقة الثنائية.

مجهر انتخاب ناقل الحركة - يمكن استخدامه لمراقبة جهاز جولجي ، ويوفر أعلى مستوى من الدقة

خيوط وسيطة - يتكون هذا الفتيل من عدة بروتينات مختلفة ، ويوجد هذا الفتيل في تقاطعات التثبيت.

الستيرويدات في أغشية الخلايا تسمح للغشاء بأن يكون أكثر سيولة.

تحيط طبقات الفسفوليبيد الثنائية بجميع الخلايا حقيقية النواة.

بروتينات المستقبلات - ترتبط الهرمونات هنا

الإنزيمات - تساعد هذه البروتينات في تحفيز التفاعلات الكيميائية

بروتينات التعرف - امرأة تعاني من اضطراب يتسبب في ربط جهازها المناعي بخلاياها الخاصة ، وقد يكون لديها مشكلة مع هذه البروتينات

بدائيات النوى - يفتقر إلى الشبكة الإندوبلازمية ، ويحتوي على DNA في السيتوبلازم

خيوط وسيطة - تشكل سقالة خلوية داخلية وتوفر قوة ميكانيكية

الأنابيب الدقيقة - بروتين هيكلي رئيسي للأهداب والسوط ، تشكل مسارات تنقل على طولها البروتينات الحركية مكونات مختلفة داخل الخلايا ، وتلعب دورًا رئيسيًا في انقسام الخلايا ، وتتكون من بروتين توبولين

البكتيريا - نشأت المجالات الثلاثة من سلف مشترك كان هذا المجال هو الأول في الظهور ، ويحتوي هذا المجال على الكائنات الحية الأكثر وفرة وتنوعًا


الفضة تحول البكتيريا إلى كائنات زومبي قاتلة

قد تكون كارثة الزومبي أكثر من مجرد قصة رعب لبعض البكتيريا. يظهر بحث جديد أنه عند تعرضها لمحلول الفضة القاتل للميكروبات ، يمكن للجراثيم أن "تتحول إلى زومبي" ، وتقضي على مواطنيها الأحياء حتى بعد الموت. قد تفسر النتائج قوة الفضة المضادة للبكتيريا طويلة الأمد ويمكن أن تحسن أداء المنتجات الطبية التي تحافظ على سلامتنا من مسببات الأمراض الضارة.

يعود استخدام الفضة في الطب إلى آلاف السنين ، وقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن المعدن عامل قوي مضاد للجراثيم. تؤدي أيونات الفضة عملها المميت عن طريق إحداث ثقوب في الأغشية البكتيرية وإحداث الفوضى بمجرد دخولها. فهي ترتبط بمكونات الخلية الأساسية مثل الحمض النووي ، مما يمنع البكتيريا من أداء حتى وظائفها الأساسية.

لكن "تأثير الزومبي" للفضة لم يتم التعرف عليه - حتى الآن. للكشف عن هذه الآلية المروعة ، قتل العلماء أولاً عينة من البكتيريا الزائفة الزنجارية باستخدام محلول من نترات الفضة. ثم قاموا بفصل البكتيريا الميتة بعناية عن محلول الفضة. عندما عرّضوا البكتيريا الحية للموتى ، شهدوا مذبحة مجهرية: ما يصل إلى 99.99 ٪ من البكتيريا الحية لقيت هلاكها.

باستخدام المجهر الإلكتروني ، صور الباحثون البكتيريا الميتة واكتشفوا سبب اندلاعها في فورة القتل. وقد تراكمت خزانات من جسيمات الفضة النانوية في جثثهم ، مما يشير إلى أن البكتيريا الميتة تتصرف مثل الإسفنج ، حيث تمتص الفضة عند موتها. يمكن أن تتسرب الفضة المخزنة إلى البيئة ، "خاصة إذا كانت البيئة تحتوي على إسفنجات أخرى لتلك الفضة" ، كما يقول الكيميائي ديفيد أفنير من الجامعة العبرية في القدس ، المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة. "في حالتنا ، الإسفنج الآخر هو بكتيريا حية."

الباحثون ، الذين نشروا نتائجهم الأسبوع الماضي في التقارير العلمية، نظروا أيضًا إلى القوة القاتلة للمحلول الذي فصلوه عن بكتيريا الزومبي. عندما بدأوا بتركيزات منخفضة من نترات الفضة ، لم يكن المحلول المتبقي قويًا بما يكفي للقضاء تمامًا على الجولة الثانية من البكتيريا. يقول الباحثون إن هذا يشير إلى أن البكتيريا تقوم بالفعل بإزالة الفضة من المحلول. عندما بدأوا بتركيزات عالية من نترات الفضة ، احتفظ المحلول بقدرته القاتلة من خلال مجموعتي البكتيريا ، ربما لأن الجولة الأولى من البكتيريا لم تكن قادرة على امتصاص الفضة بالكامل.

يقول عالم الأحياء الدقيقة الجزيئية سيمون سيلفر من جامعة إلينوي بشيكاغو ، والذي لم يشارك في البحث: "هذا جانب مهم من [الفضة] لم أرَ أي شخص يتحدث عنه من قبل". "هذه الورقة تدور حولها ، بالنسبة لي ، وأعتقد أنها فكرة جيدة."

يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تعزيز القدرة على التحكم في طول عمر العلاجات القائمة على الفضة. يعتمد الأطباء والمستشفيات بالفعل على مجموعة من المنتجات الطبية المشبعة بالفضة - من الضمادات إلى القسطرة - لمنع انتشار ­بكتيريا. يشيع استخدام المعدن في الجروح الشديدة ، ويمكن لطلاء مقابض الأبواب أن يقضي على الجراثيم. يمكن للمستهلكين حتى شراء منتجات لتقليل الميكروبات غير المرغوب فيها في المنزل ، مثل الجوارب المليئة بالفضة والغسالات التي تطهر الملابس بالفضة.

يقول روبرت هيرت ، الكيميائي المتخصص في المواد النانوية من جامعة براون ، الذي لم يشارك في البحث. يقول هيرت إن فهم تأثير الزومبي يمكن أن يؤدي إلى تصميمات أفضل لمثل هذه المنتجات. على سبيل المثال ، قد يصمم المهندسون الآن منتجاتهم للحفاظ على البكتيريا الميتة حولها ، وتقوية قدراتها المضادة للميكروبات وإبقاء الجراثيم في مكانها.


البطل الخارق المحب للملح: هالوباكتيريوم ساليناروم - طويل العمر طويل الأمد بولي

هالوباكتيريوم ساليناروم هو بطل خارق مغرم بالحيوية في ثلاث تهم على الأقل. يمكن أن: (1) تبدأ في النمو فقط عندما تكون تركيزات الملح أعلى بثلاث مرات من مياه البحر وندش وتزدهر عندما يبدأ الملح الرئيسي في مياه البحر (كلوريد الصوديوم) في الخروج من المحلول (2) يتحمل جرعات عالية للغاية من الإشعاع و (3) البقاء على قيد الحياة لآلاف وربما ملايين السنين مدفونًا داخل بلورات الملح. ستسلط هذه المقالة الضوء على كيفية ترابط هذه الخصائص الثلاثة للملح الشديد (المحبة للملح) ومقاومة الإشعاع وطول العمر.

هالوباكتيريوم ساليناروم نمت في الأصل في المختبر من الأسماك المملحة ، ولكن تم العثور عليها في بحيرات الملح والمملح الساحلية وبلورات الملح القديمة. إنه ينتمي إلى المجال Archaea ، وعلى وجه التحديد إلى عائلة Halobacteriaceae (تسمى أكثر شيوعًا هالواركيا). إنه كائن حي وحيد الخلية ويشكل ، مثل العديد من أقاربه ، مستعمرات حمراء أو وردية على ألواح أجار ، وذلك أساسًا لأن غشاء الخلية يحتوي على الكاروتينات (مركبات دهنية مماثلة لتلك الموجودة في الجزر والطماطم). اللون الأحمر للبيئات شديدة الملوحة ، مثل بحيرة سولت ليك الكبرى في ولاية يوتا ، ينقله هالورتشا ، ويمكن رؤيته من الفضاء.

A SOLAR SALTERN في SALINAS DE S & # 39AVALL ، MALLORCA ، إسبانيا

البركة الحمراء على اليسار مشبعة بكلوريد الصوديوم (NaCl) ، وبها قشرة من بلورات الهاليت (NaCl) على السطح. يبلغ ارتفاع تل من الهاليت حوالي 2.5 متر.

التكيف مع الملوحة العالية للغاية

ل H. salinarum للنمو في البيئات شديدة الملوحة ، يحتوي على محلول ملح عالي التركيز (يتكون أساسًا من كلوريد البوتاسيوم ، KCl) ، وبالتالي فإن الضغط الأسموزي داخل وخارج الخلية متوازن وبالتالي ، يتم تكييف جميع بروتيناته للعمل في ظل هذه الظروف. إذا تم وضعها في بحيرة مياه عذبة أو حتى في المحيط ، فسيتدفق الماء إلى الخلية ، ويفقد غشاء الخلية والبروتينات هيكلها وتنفتح الخلايا. هذا الالتزام بوجود مالح للغاية له مزاياه H. salinarum يمكن أن تنمو بمنافسة أقل بين الأنواع من الميكروبات التي تعيش في ظروف أكثر اعتدالًا مثل المحيط. وهذا يسمح لها بالاستفادة من الكمية الكبيرة من المواد العضوية التي تتراكم مع تبخر المياه المالحة ، والمواد العضوية الجديدة التي تنتجها الهالوفيلات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. الميكروب الضوئي الرئيسي الذي يعيش جنبًا إلى جنب H. salinarum هي الطحالب الخضراء دوناليلا سالينا، الذي ، بدلاً من وجود السيتوبلازم المملوء بالملح ، يحزم خلاياه بالمركب العضوي الصغير ، الجلسرين ، الذي يحافظ على التوازن الأسموزي بين داخل الخلية وخارجها. الجلسرين المتسرب من الخلايا الطحلبية يوفر مصدرا ممتازا للكربون والطاقة H. salinarum. هناك دليل جديد على ذلك H. salinarum يوفر المغذيات لتحفيز نمو الطحالب في المقابل & ndash شكل من أشكال التكافل. H. salinarum لا تواجه بعض المنافسة ، حتى في المحاليل الملحية المشبعة بالملح ، أكثر مواطنها المشتركة غموضًا هي هالواريون أخرى ، هالوكوادراتوم والسبي. يشير جزء & lsquoquadratum & rsquo من اسمه إلى الخلايا المربعة المسطحة الرائعة التي تنقسم مثل ورقة قديمة الطراز من الطوابع البريدية.

مستعمرات HALOBACTERIUM SALINARUM GROWING ON SALT-SATURATED AGAR PLATE

Adaptations to high levels of radiation

Hypersaline environments are prone to drying up, which, coupled with the high level of ultraviolet radiation that is typical of such environments, can result in cell damage. Both desiccation and radiation can damage cells by the production of highly reactive forms of oxygen, and so microbes that cope with drying are generally also good at surviving high doses of radiation. H. salinarum has evolved mechanisms that make it one of the most radiation-resistant microbes known. Evidence is emerging that the high cellular concentrations of peptides and the minerals phosphate and manganese (and correspondingly low levels of iron), combine to protect cellular proteins. These proteins include enzymes that repair damaged nucleic acids, which, combined with other unusual haloarchaeal features, such as multiple copies of the chromosome and an efficient means of repairing and recombining DNA fragments, ensures genetic material stays intact. The carotenoids and high cellular concentrations of KCl also provide radiation protection.

Living in tiny brine inclusions in salt crystals

Although a crystal of common salt may look completely dry, up to 5% of its volume is liquid in the form of hundreds of brine inclusions, i.e. small reservoirs of salt-saturated brine surrounded by a solid matrix of NaCl. The pioneering work of Professor Bill Grant and others revealed that haloarchaea become trapped inside salt crystals, living in the brine inclusions. Hypersaline environments are dynamic systems that frequently dry up so this strategy employed by H. salinarum and friends enables them to survive within a small-scale aquatic environment until the rains come and dissolve the salt crystals, regenerating the brine lake.

MICROSCOPIC IMAGES FROM A NATURAL HYPERSALINE BRINE

Based on their morphologies we can identify D. salina living alongside هالوكوادراتوم والسبي (flat square with gas vesicles). A rod-shaped microbe can be seen, which may be Halobacterium salinarium

Staying alive over geological time

But what happens to the haloarchaea if the rains don&rsquot come and the salt starts to accumulate and ultimately gets buried? From laboratory experiments we know that haloarchaea, and H. salinarum in particular, can remain alive inside salt crystals for years. We cannot perform experiments for thousands of years, instead, we sample directly from ancient buried salt deposits, taking great care to exclude external contaminants. Different research groups have independently and repeatedly isolated haloarchaea from ancient salt crystals, and evidence for &lsquosuper&rsquo survival over millions of years is growing, while evidence for survival over tens of thousands of years is almost unequivocal.

Over time, salt crystals may be buried, forming the salt deposits we mine today, and providing an environment conducive to long-term survival of entombed microbes by restricting the amount of radiation reaching the cells. In addition, the salt-saturated brine inclusions contain little oxygen, minimising the creation of cell-damaging reactive oxygen compounds. Incidentally, H. salinarum can grow with or without oxygen.

SCHEMATIC ILLUSTRATION OF WHERE AND HOW HALOARCHAEA SURVIVE IN SALT CRYSTALS

From left to right. A laboratory-made crystal of NaCl encasing a haloarchaeal species. The orange colour is from the haloarchaea. The cloudiness of the halite (NaCl) crystal is due to the large number of brine inclusions shown in the second schematic. The third schematic illustrates a single, large brine inclusion, showing the scenario in which H. salinarum is entombed with the green alga D. salina (top left). e shows a single cell of H. salinarum. Those environmental or cellular features that enable the cells to survive over geological time are described in the boxes. Sizes are for illustrative purposes only and pictures are not always drawn to scale. T. McGenity

Download a version of the diagram:

What can H. salinarum feed on inside brine inclusions?

The repair of H. salinarum proteins and nucleic acids needs organic matter for energy. An obvious question is whether there is enough organic matter in the brine inclusions to keep H. salinarum alive for thousands of years. The brine inclusions are best considered relative to the size of the microbes that they are housing: a single cell of H. salinarum in a brine inclusion is equivalent to a water flea in a bucket of water. Also, there are often thousands of co-entombed microbial cells, including D. salina. In fact, remnants of this glycerol-packed green alga have been found in ancient brine inclusions by Tim Lowenstein&rsquos group. There is a good supply of organic matter from D. salina and the dead cells of those haloarchaea that are less adept at surviving in brine inclusions, such as the square Haloquadratum walsbyi, to allow H. salinarum to stay alive.

Where next?

There are many open questions about the amount of energy needed, the nature of the environment and the cellular adaptations required to hold the Grim Reaper at bay for millions of years. It will be important to learn how different species of halophile interact, and how those interactions change over time in the closed system of a brine inclusion. Astrobiologists should be aware of H. salinarum&rsquos long-term survival, as Mars once had an environment that was more conducive to life, including hypersaline brines that turned into salt deposits. Also, Jupiter&rsquos moon Europa has subterranean hypersaline seas. Therefore, if we are going to search for existing or former life on other planets, these salty environments should be prime targets.

TERRY J. MCGENITY

School of Biological Sciences, University of Essex, Wivenhoe Park, Colchester CO7 9QZ, UK
[البريد الإلكتروني & # 160 محمي]

قراءة متعمقة

Gramain, A. & others (2011). Archaeal diversity along a subterranean salt core from the Salar Grande (Chile). Environ Microbiol 13, 2105&ndash2121.
McGenity, T. J. & others (2000). Origins of halophilic microorganisms in ancient salt deposits. Environ Microbiol 2, 243&ndash250.
McGenity, T. J. & Oren, A. (2012). Hypersaline environments. In Life at Extremes: Environments, Organisms and Strategies for Survival, pp. 402&ndash437. Edited by E. M. Bell. Wallingford: CAB International.
Orellana, M. V. & others (2013). A role for programmed cell death in the microbial loop. PLoS ONE 8, e62595.
Robinson, C. K. & others (2011). A major role for nonenzymatic antioxidant processes in the radioresistance of Halobacterium salinarum. J Bacteriol 193, 1653&ndash1662.
Schubert, B. A. & others (2010). Halophilic Archaea cultured from ancient halite, Death Valley, California. Environ Microbiol 12, 440&ndash454.

صورة: A solar saltern at Salinas de S'Avall, Mallorca, Spain Rafael Bosch, Colonies of Halobacterium salinarum Matt W. Ford, Microscopic images from a natural hypersaline brine Mike Dyall-Smith. Illustrations by James B. W. Ilustration.


New assay reveals biophysical properties that allow certain proteins to infect others

Prion polymers of the functional human prion protein, ASC, expressed in baker's yeast cells. Prion phenomena occur because of the improbability of proteins acquiring ordered structure spontaneously. Credit: Halfmann Lab

Scientists at the Stowers Institute for Medical Research have identified a physical basis for the spread of corrupted proteins known as prions inside cells. Their research findings are reported in the July 5, 2018, issue of the scientific journal الخلية الجزيئية.

Prions are proteins that can adopt distinct structural shapes that can propagate themselves to other proteins. Prions have been linked to age-associated neurodegenerative disorders such as Alzheimer's and Parkinson's diseases. However, recent studies have revealed that prions are also important for normal cellular processes including immune responses that fight off viruses.

In their quest to understand what exactly makes a protein a prion, Stowers Assistant Investigator Randal Halfmann, Ph.D., and his lab members focused on the very first event of prion formation, known as nucleation. They designed a powerful novel cell-based fluorescence assay called Distributed Amphifluoric FRET (DAmFRET) to determine some of the key biophysical properties of nucleation for proteins expressed in baker's yeast cells.

Halfmann and team members determined that the key property of prion-forming proteins that distinguishes them from other proteins is their ability to become super-saturated. "Unlike other proteins that began to aggregate as soon as they were sufficiently concentrated inside cells, prion forming proteins instead remained soluble, and only aggregated when very rare random fluctuations in a few molecules provided a template to do so," Halfmann said.

Halfmann describes prion formation as similar to the action of a hand-warmer packet that produces heat to warm cold hands. The packets contain a water solution that is super-saturated with sodium acetate salt. Flexing a metal disc inside the plastic pouch arranges a few of the salt molecules into a crystalline shape. Nucleation—the creation of the first tiny crystal inside the hand-warmer—provides a template for all of the other salt molecules to crystallize. The energy released by the rush of molecules into the growing crystal generates the heat that warms cold hands.

In the study, the researchers found that prion forming proteins are much like the salt crystals—they will eventually aggregate, but only in a very particular arrangement that only rarely happens spontaneously. "The probability that a critical number of the proteins spontaneously bump into each other in exactly the right orientation is very low," explained Tejbir S. Kandola, an Open University predoctoral researcher carrying out his thesis research with Halfmann at the Stowers Institute.

Previous investigations of prions have been hindered by a lack of quantitative assays. Using DAmFRET, the Halfmann lab became the first research group to successfully measure the frequency of nucleation as a function of protein concentration inside cells. They are now using the approach to investigate how nucleation happens for prion-like proteins responsible for Alzheimer's and other brain diseases. Halfmann and his lab have been sharing the approach with scientists at other academic research centers. "Most labs do not have the equipment and throughput to use DAmFRET at our scale and resolution. So we are happy to collaborate with outside scientists by testing the proteins that they are investigating," Halfmann said.


شاهد الفيديو: فيروس كورونا كيفية التأكد من أن أنت وأحبائك لديهم أفضل فرصة للبقاء على قيد الحياة (أغسطس 2022).