A Haiku
Searching the deep-sea
For pulses of ROS
Fleeting signs of health
Traducción al español disponible a continuación
Why do we care about ROS? Aerobic organisms may produce ROS for a variety of beneficial functions, including cell growth, signaling, and pathogen defense. However, if the ability of an organism to regulate the production and decay of ROS is compromised, concentrations may surpass healthy levels and lead to a condition called oxidative stress. Outside of the normal physiological range, excess superoxide may lead to damage of cellular components such as proteins and membranes, and the eventual death of its producer. The delicate balance in the implications of ROS is well captured by the famous quote of Paracelsus (an influential scientist in the development of modern-day toxicology): “All things are poisons, for there is nothing without poisonous qualities. It is only the dose which makes a poison”.
The Hansel Lab studies two ROS in particular: superoxide and hydrogen peroxide. These compounds are intricately bound as hydrogen peroxide is commonly produced during the decay of superoxide. Nevertheless, measurements of these compounds individually can provide unique information about organismal processes and responses. For instance, hydrogen peroxide which has a considerably longer lifetime in seawater than superoxide, is thought to be the primary ROS used in cell signaling. On the other hand, superoxide is the primary ROS released at the cell surface during oxidative bursts, and studying its pulses could help understand the differential abilities of organisms to defend against invading pathogens.
Our lab is in the process of determining whether elevated signals of hydrogen peroxide can be reliably used as stress indicators. Previously, we’ve worked in collaboration with Mote Marine Lab in Florida to make measurements of hydrogen peroxide during transmission experiments investigating stony coral tissue loss disease (SCTLD). Highly elevated concentrations of hydrogen peroxide were found directly over the white lesion spots in diseased corals in contrast to the rest of the healthy tissue of that same coral. We found similar evidence regarding the diagnostic capabilities of hydrogen peroxide in two seaweed species during heat and grazing stress experiments.
On the Pulse cruise aboard the Falkor (too), we are seeking to explore the production of ROS by corals and sponges that inhabit the mesophotic and deep sea. To measure the superoxide signals at the surfaces of different organisms we are using our deep-sea Submersible Oceanic Luminescent Analyzer of Reactive Intermediate Species (SOLARIS). We operate SOLARIS, mounted on the front of the ROV SuBastian, from a control room as it roams the depths of the ocean. Across from the control room is a wet lab where we are maintaining specimens of corals that we collected from depth. Here, we plan to set up experiments exploring the production of hydrogen peroxide in response to different cues, for instance, feeding or changes in light levels.
Buscando pulsos de ROS en las profundidades marinas, signos fugaces de salud
¿Por qué nos preocupan los ROS? Los organismos aeróbicos pueden producir ROS para diversas funciones beneficiosas, como el crecimiento celular, la señalización y la defensa frente a patógenos. Sin embargo, si la capacidad de un organismo para regular la producción y descomposición de ROS se ve comprometida, las concentraciones pueden superar los niveles saludables y conducir a una condición llamada estrés oxidativo. Fuera del rango fisiológico normal, el exceso de superóxido puede provocar daños en componentes celulares como proteínas y membranas, y la muerte final de su productor. El delicado equilibrio en las implicaciones de los ROS queda bien reflejado en la famosa cita de Paracelso (un científico influyente en el desarrollo de la toxicología moderna): “Todas las cosas son venenos, pues no hay nada que no tenga cualidades venenosas. Lo que envenena es la dosis”.
El laboratorio Hansel estudia dos ROS en particular: el superóxido y el peróxido de hidrógeno. Estos compuestos están íntimamente ligados, ya que el peróxido de hidrógeno suele producirse durante la descomposición del superóxido. No obstante, las mediciones de estos compuestos por separado pueden proporcionar información única sobre los procesos y respuestas del organismo. Por ejemplo, se cree que el peróxido de hidrógeno, que tiene una vida considerablemente más larga en el agua de mar que el superóxido, es el principal ROS utilizado en la señalización celular. Por otra parte, el superóxido es el principal ROS liberado en la superficie celular durante las explosiones oxidativas, y el estudio de sus pulsos podría ayudar a comprender las capacidades diferenciales de los organismos para defenderse de los patógenos invasores.
Nuestro laboratorio está determinando si las señales elevadas de peróxido de hidrógeno pueden utilizarse de forma fiable como indicadores de estrés. Anteriormente, habíamos trabajado en colaboración con el Mote Marine Lab de Florida para realizar mediciones del peróxido de hidrógeno durante experimentos de transmisión en los que se investigaba la enfermedad de pérdida de tejido del coral pétreo (SCTLD). Se encontraron concentraciones muy elevadas de peróxido de hidrógeno directamente sobre las manchas blancas de las lesiones en los corales enfermos, en contraste con el resto del tejido sano de ese mismo coral. Encontramos pruebas similares sobre la capacidad de diagnóstico del peróxido de hidrógeno en dos especies de algas durante experimentos de estrés por calor y pastoreo.
En el crucero de pulsos a bordo del Falkor (too), pretendemos explorar la producción de ROS por corales y esponjas que habitan en el mesofótico y en aguas profundas. Para medir las señales de superóxido en las superficies de diferentes organismos estamos utilizando nuestro Analizador Luminiscente Oceánico Sumergible de Especies Intermedias Reactivas (SOLARIS). El SOLARIS, montado en la parte delantera del ROV SuBastian, se maneja desde una sala de control mientras recorre las profundidades del océano. Frente a la sala de control hay un laboratorio húmedo donde mantenemos especímenes de corales recogidos en las profundidades. Aquí tenemos previsto realizar experimentos para estudiar la producción de peróxido de hidrógeno en respuesta a distintas señales, como la alimentación o los cambios en los niveles de luz.
