DISCO giver forskere mulighed for at måle meget reaktivt superoxid på koralrev

Forskere ved Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) har med succes udtænkt og testet en bærbar enhed, DISCO, der udførte de første in situ målinger af en meget reaktiv type ilt, kendt som superoxid, som kan spille en integreret rolle i koralrevs sundhed. Deres resultater blev offentliggjort som en tidlig visningsartikel den 29. oktober i tidsskriftet Miljøvidenskab og -teknologi .

Superoxid er et reaktivt kemikalie, der er et biprodukt i alle respirerende og fotosyntetiserende organismer. Denne ustabile form for ilt, eller reaktive oxygenarter (ROS), er tilbøjelig til at stjæle eller give elektroner. Som en konsekvens, superoxid har været kendt for at katalysere kemiske reaktioner, der kan føre til kræft og andre sygdomme - en af ​​de mange grunde til, at dagens kostvaner stresser med antioxidantrige fødevarer, såsom blåbær, nødder eller mørk chokolade. Imidlertid, i mange organismer, inklusive koraller, karakteren af ​​superoxid kan være mere kompliceret.

"Det plejede at være, at [superoxid] kun blev betragtet som giftig, " siger WHOI-marinkemiker Colleen Hansel, en medforfatter af undersøgelsen. "Men vi ved nu, at det bruges til en masse gavnlige processer. I svampe, planter og endda dyr, superoxid er vigtigt for en organismes immunrespons [for eksempel]. Den [logik] er ikke rigtig overført til livet i havet endnu."

Hansel og hendes team undersøgte kemikaliets interaktion med symbiotiske mikroorganismer, der bebor koralrev. Foreløbige beviser tyder på, at selvom koraller muligvis ikke er immun over for superoxids toksiske virkninger, når de når høje koncentrationer inde i deres celler, de kan også bruge kemikaliet uden for deres celler af gavnlige årsager, såsom et forsvar mod marine infektioner - hvoraf nogle kan være ansporet af varmere havtemperaturer.

"Superoxid til organismer afspejler som en slags Guldlok-effekt, "siger Kalina Grabb, undersøgelsens hovedforfatter og WHOI-MIT Joint Program-studerende i Hansels laboratorium. "Du vil ikke have for meget, fordi det kan føre til oxidativt stress, men du vil ikke have for lidt, fordi det er afgørende for fysiologiske funktioner."

Indtil for nylig, superoxids flygtige natur har gjort det utrolig svært at prøve i havmiljøet - kemikaliet holder kun minutter i havvand. Dette efterlod traditionelt ikke tid til at overføre vandprøver til et laboratorium for tilstrækkelig analyse. På samme tid, andre bådbårne systemer var besværlige at betjene og kunne kun bruges i meget udvalgte miljøer.

For at overvinde disse begrænsninger, WHOI-ingeniør Jason Kapit og WHOI-videnskabsmand Scott Wankel arbejdede tæt sammen med Hansel og hendes laboratorium for at udvikle verdens første bærbare DIver-betjente nedsænkelige kemiluminescerende sensorer, eller DISCO. Med det, de var i stand til at prøve superoxidkoncentrationer i realtid under en forskningsrejse i 2017 til Cubas uberørte revsystem, Jardines de la Reina.

Den boxy håndholdte enhed består af et vandforseglet batteri og en tabletskærm, som dykkere kan betjene i dybden. Inde, flydende pumper optager det usynlige kemikalie, når koraller producerer det. DISCO tilføjer derefter et kemikalie til blandingen, der reagerer med superoxid for at skabe målbart lys, aflæses af en indbygget sensor. Bevæbnet med disse værktøjer, DISCO opdagede bemærkelsesværdige forskelle i superoxidniveauer mellem arter af koraller i sin første felttest.

"Nu, vi ønsker at være i stand til at finde ud af hvorfor, "tilføjer Hansel." Hvorfor laver de med vilje superoxid, og hjælper det koraller, eller er det relateret til stress på en eller anden måde? "

Siden starten, DISCO er blevet ombygget til at blive endnu mere bærbar og let. I 2018, Hans, Wankel og Kapit samarbejdede om en anden iteration af enheden, denne gang med omtrent halvdelen af ​​størrelsen og vægten af ​​sin forgænger. Teamet har også tilpasset DISCO til en dybhavsversion, kendt som SOLARIS, til at ledsage WHOIs dykker, der er besat af mennesker, ALVIN. I oktober 2019, de var i stand til at bruge SOLARIS til at detektere superoxid produceret af koraller ved 1, 300 meter dyb (~ 4, 200 fod) langs Davison Seamount ud for kysten af ​​det centrale Californien.

"Vi taler allerede om, hvad vi kan gøre næste gang med denne teknologi, " siger Hansel. "Hvordan kan vi bygge nye sensorer, der inkorporerer andre reaktive iltarter for fuldt ud at forstå deres rolle i organismers sundhed og havkemi? Jeg kan ikke se en ende i sigte."