Клетки на солнечной энергии: светоактивированные протонные насосы генерируют клеточную энергию и продлевают жизнь
Новое исследование в журнале Nature Aging заимствует идеи из области возобновляемой энергии. Оно показывает, что генетически модифицированные митохондрии могут преобразовывать световую энергию в химическую, которую клетки способны использовать, что в итоге продлевает жизнь круглому червю C. elegans. Хотя перспектива клеток, заряжаемых солнечным светом у людей, пока скорее научная фантастика, результаты проливают свет на важные механизмы процесса старения.
"Мы знаем, что дисфункция митохондрий — это следствие старения", — говорит Эндрю Войтович, доктор философии, старший автор исследования.
"Эта работа показала, что простое усиление метаболизма с помощью митохондрий, активируемых светом, дало лабораторным червям более долгую и здоровую жизнь. Эти выводы и новые исследовательские инструменты позволят нам глубже изучить митохондрии и найти новые способы лечения возрастных заболеваний".
Митохондрии — это органеллы, присутствующие в большинстве клеток тела. Часто называемые клеточными электростанциями, они используют глюкозу для производства аденозинтрифосфата (АТФ) — соединения, которое обеспечивает энергией ключевые функции клетки.
Производство АТФ — результат ряда реакций, возможных благодаря обмену протонами через мембрану, разделяющую разные компартменты митохондрий. Этот процесс формирует мембранный потенциал. Показано, что с возрастом мембранный потенциал снижается, что потенциально играет роль в ряде возрастных заболеваний.
Новое исследование проводилось на C. elegans — микроскопическом круглом черве, который, как и плодовая мушка Drosophila, давно используется учёными для понимания базовых биологических принципов.
Для экспериментов международная команда адаптировала существующий инструмент — оптогенетику, традиционно используемую для активации специфичных нейронов. Исследователи генетически модифицировали митохондрии C. elegans, чтобы включить в них светоактивированный протонный насос, полученный из гриба.
В новом исследовании при воздействии света протонные насосы перемещали заряженные ионы через мембрану, используя энергию света для "зарядки" митохондрий. Этот процесс, названный mitochondria-ON (mtON), увеличивал мембранный потенциал и производство АТФ, что привело к увеличению продолжительности жизни червей на 30–40%.
"Митохондрии похожи на промышленные электростанции: они сжигают источник углерода, в основном глюкозу, чтобы произвести полезную для клетки энергию", — говорит первый автор исследования Брэндон Берри.
"По сути, мы подключили солнечную панель к существующей инфраструктуре электростанции. В данном случае солнечная панель — это оптогенетический инструмент mtON. Обычная митохондриальная машинерия затем может использовать световую энергию для производства АТФ в дополнение к нормальному пути сгорания".
Исследование важно, потому что даёт учёным больше информации о сложной биологической роли митохондрий в организме человека. Оно также создаёт новый метод для манипуляции и изучения митохондрий в среде живой клетки, что может служить важной платформой для поиска способов поддержки их функции.
"Нам нужно лучше понять, как митохондрии ведут себя в живом организме. Сначала у червей, как в текущем исследовании, а затем в культуре человеческих клеток и у грызунов", — заключает Берри.