Evolution of haemocyanin and its influence on thermal sensitivity in cold adapted cephalopods
Final Report Abstract
Dieses Projekt konnte zeigen, dass bodenbewohnende Antarktische Kraken einzigartige Anpassungen ihres blauen Sauerstofftransportmoleküls Hämocyanin aufweisen, um bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt zu überleben. Konkret wurde nachgewiesen, dass die Anktarktische Krake Pareledone charcoti eine unvollständig aber signifikant reduzierte Sauerstoffaffinität aufweist, die zusammen mit unerwartet hohen Hämocyaninkonzentrationen und einem hohem Gehalt an physikalisch gelöstem Sauerstoff, die Sauerstoffversorgung bei 0°C unterstützten. Im Gegensatz zu einigen hochantarktischen Fischen ist Pareledone charcoti deshalb weiterhin auf ein Sauerstofftransportprotein im Blut angewiesen. Eine hohe Temperatursensitivität der Sauerstoffbindung ermöglichte allerdings auch, dass Pareledone charcoti einen großen Teil den bei 0°C fest gebundenen Sauerstoffes bei 10°C nutzen kann. Die damit verbundene Entlastung des Blutzirkulationssystems fördert die Toleranz wärmerer Temperaturen und deutet auf die Anpassung an ein breites Temperaturspektrum (Eurythermie) von Pareledone charcoti hin. Molekulare Analysen zeigten, dass trotz eines hohen Grades an Konservierung der untersuchten Abschnitte des Blugpigmentes Hämocyanin mehrere Sequenzpositionen an der Moleküloberfläche positiver Selektion unterlagen, gekennzeichnet durch eine Verschiebung von Ladungseigenschaften. Polare Kraken zeigten dabei eine erhöhte Nettoladung der Moleküloberfläche, was darauf hinweist, dass durch elektrostatische Wechselwirkungen intrinsische pK Werte angehoben wurden, um einer De-Stabilisierung der Quartärstruktur bei erhöhtem Hämolymph-pH in kaltem Wasser entgegenzuwirken. Insgesamt konnte dieses Projekt durch die Verknüpfung funktioneller und molekularer Analysen nachweisen, dass eine unvollständige funktionelle Anpassung und eine starke Abhängigkeit von Haemocyanin bei 0°C zwar eine weitere Designlimitierung im Vergleich zu Fischen darzustellen scheint, eine „versteckte“ Sauerstoffreserve allerdings die Sauerstoffversorgung bei wärmeren Temperaturen verbessert. Dies könnte der Schlüssel sein, um in immer wärmer werdenden Gewässern zu bestehen. Die innovative Neuerung zur Messung von Bluteigenschaften mündete zudem nicht nur in einem internationalen Patent, sondern konnte auch erfolgreich an eine renommierte dänische Firma zur kommerziellen Verwertung lizensiert werden. Durch Veröffentlichungen der Ergebnisse auf internationalen Konferenzen und Fachjournalen gab es ein unerwartetes breites Medienecho, mit Interviews und Artikeln u.a. in der New York Times, National Geographic, ABC News, Der Standard, El Mundo, Die Welt, Focus, Süddeutsche Zeitung, Spektrum der Wissenschaft, Biologie in unserer Zeit u.v.m.
Publications
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2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria. Antarctic octopod haemocyanin – does form follow function?
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2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria. Effects of temperature and CO2 on relative haemocyanin expression of the common cuttlefish Sepia officinalis?
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2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria: Cephalopod physiology – from the poles to the subtropics
Mark, F.C., Strobel, A., Oellermann, M., Thonig, A., Jäckel, G., Wolfram, K., Pörtner, H.O.
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2012 CephRes-Onlus: Technical Experts Meeting, Vico Equense, Italy: Cephalopod haemocyanin – does (iso-)form follow function?
Mark, F.C., Strobel, A., Oellermann, M., Thonig, A., Wolfram, K., Pörtner, H.O., Lieb, B.
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2014 11th Congress on the Biology of Fish, Edinburgh, UK: Resolving fish haemoglobin: Simultaneous pH and spectrophotometric recordings in blood microvolumes advance oxygen binding measurements
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Guidelines for the Care and Welfare of Cephalopods in Research - A consensus based on an initiative by CephRes, FELASA and the Boyd Group. Laboratory Animals, Volume: 49 issue: 2_suppl, page(s): 1-90
Issue published: October 1, 2015
Fiorito, G., Affuso, A., Basil, J., Cole, A., de Girolamo, P., D’Angelo, L., Dickel, L., Gestal, C., Grasso, F., Kuba, M., Mark, F.C., Melillo, D., Osorio, D., Perkins, K., Ponte, G., Shashar, N., Smith, D., Smith, J., Andrews, P.L.R.
