Tardigrades Can Survive X-Ray Bombardment by Deploying a Protein Shield

Weird and wonderful, the microscopic tardigrades are sometimes colloquially known as ‘water bears’ and ‘moss piglets’. In all fairness, though, no bear or piglet ever dreamt of doing the amazing things these uniquely gifted creatures are capable of.

Tardigrades are know for their incredible resilience, as they’re able to survive all manner of extreme conditions.

When the going gets tough, they basically transform into glass for decades at a time, perhaps even centuries. They tolerate temperature extremes, and even the cold vacuum of space does not faze them.

While we’re on that topic, tardigrades may also have just begun to colonise the Moon. It is an impressive achievement for something shorter than a millimetre.

Where do all these strange superpowers come from? The origin story of these aquatic organisms is a matter of ongoing scientific inquiry, but researchers think they’ve now at least solved the mystery of one of the water bear’s weirdest abilities.

One of the things that makes tardigrades so seemingly indestructible is a built-in radiation shield of sorts.

A study in 2016 discovered that a protein unique to tardigrades called Dsup (damage suppressor) could suppress X-ray-induced DNA damage in human cells by approximately 40 percent.

„We were really surprised,” one of the researchers, Takuma Hashimoto from the University of Tokyo, told AFP at the time.

„It is striking that a single gene is enough to improve the radiation tolerance of human cultured cells.”

Such a degree of radiation tolerance is indeed striking, but how does it work? The answer remained unknown until just now – thanks to new findings made by scientists at the University of California, San Diego, who analysed Dsup to ascertain its molecular functions.

„We now have a molecular explanation for how Dsup protects cells from X-ray irradiation,” says molecular biologist James Kadonaga.

„We see that it has two parts, one piece that binds to chromatin and the rest of it forming a kind of cloud that protects the DNA from hydroxyl radicals.”

Hydroxyl radicals are particles that are generated in cells by ionising radiation. But tardigrades would also be exposed to these particles when the wet, mossy environments they dwell in become dry, triggering the water bears’ dormant survival state called anhydrobiosis.

According to the researchers, the cloud-like Dsup formation that protects against DNA damage from hydroxyl radicals might not be an adaptation catered to protect against radiation, but simply one that evolved to protect against the hydroxyl radicals produced in dry environments.

If they’re right about that, it confirms what the scientists behind the 2016 study also speculated.

„Tolerance against X-ray is thought to be a side-product of [the] animal’s adaption to severe dehydration,” lead researcher Takekazu Kunieda told Nature at the time.

Regardless of how and why the Dsup mechanism evolved, as we continue to improve our understanding of the tardigrade’s tricks, scientists say we might one day be able to leverage their amazing abilities for ourselves.

„In theory, it seems possible that optimised versions of Dsup could be designed for the protection of DNA in many different types of cells,” says Kadonaga.

„Dsup might thus be used in a range of applications, such as cell-based therapies and diagnostic kits in which increased cell survival is beneficial.”

The findings are reported in eLife.

Ciudate și minunate, tardigradele microscopice sunt uneori cunoscute și sub denumirea de „urși de apă” sau „purcei de mușchi”. Totuși, cu toată corectitudinea, nici un urs sau purcel nu a visat vreodată să facă lucrurile uimitoare de care sunt capabile aceste creaturi unice.

Tardigradele sunt cunoscute pentru rezistența lor incredibilă, deoarece pot supraviețui în orice fel de condiții extreme.
Când viața devine dificilă, ele practic se transformă into glass zeci de ani, poate chiar secole. Ele tolerează extremele de temperatură și, nici chiar vidul rece al spațiului nu le înfricoșează.
În timp ce suntem la această temă, este posibil ca tardigrades  just begun to colonise the Moon. Este o realizare impresionantă pentru ceva mai scurt decât un milimetru.
De unde provin toate aceste superputeri ciudate? Povestea originii acestor organisme acvatice este matter of ongoing scientific inquiry, dar cercetătorii cred că au rezolvat acum cel puțin misterul uneia dintre cele mai ciudate abilități ale ursului de apă.
Unul dintre aspectele care fac ca tardigrades să pară atât de indestructibile este a built-in radiation shield of sorts.
Un studiu realizat în 2016 a descoperit că o proteină unică doar pentru tardigrades numită Dsup (supresor de daune) ar putea limita deteriorarea ADN-ului expus la raze X al celulelor umane cu aproximativ 40%.
„Am fost cu adevărat surprinși”, a declarat la AFP unul dintre cercetători, Takuma Hashimoto de la Universitatea din Tokyo.

„Este izbitor faptul că o singură genă este suficientă pentru a îmbunătăți toleranța la radiații a celulelor umane cultivate.”
Un astfel de grad de toleranță la radiații este într-adevăr izbitor, dar cum funcționează? Răspunsul a rămas necunoscut până la noile descoperiri făcute de oamenii de știință de la Universitatea din California, San Diego, care au analizat Dsup pentru a stabili funcțiile sale moleculare.
„Avem acum o explicație moleculară pentru modul în care Dsup protejează celulele de iradierea cu raze X”, says molecular biologist James Kadonaga.
„Vedem că are două părți, o bucată care se leagă de cromatină, iar restul formează un fel de nor care protejează ADN-ul de radicalii hidroxilici”.
Radicalii hidroxilici sunt particule care sunt generate de celule ca urmare a radiațiilor ionizante. Dar tardigrades ar fi, de asemenea, expuse la aceste particule atunci când mediile umede, musculoase în care locuiesc devin uscate, declanșând starea de supraviețuire latentă a urșilor de apă numită anhidrobiosis.
Potrivit cercetătorilor, formațiunea Dsup de tip cloud care protejează împotriva deteriorarii ADN-ului de către radicalii hidroxilici ar putea să nu fie o adaptare oferită pentru a proteja împotriva radiațiilor, ci pur și simplu una care a evoluat pentru a proteja împotriva radicalilor hidroxil produși în medii uscate.

Că au dreptate în acest sens, confirmă ceea ce au speculat și oamenii de știință aflați în  spatele studiului din 2016.
„Toleranța împotriva razelor X este considerată a fi un produs secundar al [adaptării] animalului la deshidratarea severă”, a declarat la acea vreme cercetătorul principal Takekazu Kunieda.
Indiferent de cum și de ce a evoluat mecanismul Dsup, pe măsură ce continuăm să ne îmbunătățim înțelegerea trucurilor tardigradei, oamenii de știință spun că am putea într-o zi să folosim abilitățile ei uimitoare pe noi înșine.
„Teoretic, se pare că versiunile optimizate ale Dsup ar putea fi proiectate pentru protecția ADN-ului în multe tipuri diferite de celule”, spune Kadonaga.
„Dsup ar putea fi astfel utilizat într-o serie de aplicații, cum ar fi terapii bazate pe celule și kituri de diagnostic în care supraviețuirea crescută a celulelor este benefică.”

***