Малярийные паразиты полны дико вращающихся кристаллов железа — учёные наконец выяснили, почему
Каждая клетка смертельного паразита Plasmodium falciparum, вызывающего малярию, содержит крошечный компартмент, заполненный микроскопическими кристаллами железа. Пока паразит жив, кристаллы танцуют. Они вращаются, дёргаются и отскакивают в своём маленьком пузырьке, как мелочь в перегруженной стиральной машине, слишком быстро и хаотично, чтобы их можно было отследить традиционными научными методами. И когда паразит умирает, они останавливаются.
Кристаллы железа давно являются важной мишенью для противомалярийных препаратов, но их движение озадачивало учёных с момента первого обнаружения. "Люди не говорят о том, чего не понимают, и поскольку движение этих кристаллов такое загадочное и странное, это было слепым пятном паразитологии на протяжении десятилетий", — говорит Пол Сигала, доктор философии, доцент кафедры биохимии в Медицинской школе Спенсера Фокса Экклза (SFESOM) Университета Юты.
Теперь исследовательская группа Сигалы наконец выяснила, что заставляет кристаллы танцевать: та же химическая реакция, которая питает космические ракеты. Результаты могут выявить новые мишени для лечения малярии и дать новое понимание для создания наноразмерных роботов. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Биологическое ракетное топливо
Исследователи обнаружили, что кристаллы, состоящие из железосодержащего соединения под названием гем, движутся, запуская разложение перекиси водорода (H2O2) на воду и кислород. Реакция высвобождает энергию, придавая кристаллам необходимый "толчок" для вращения.
Это форма движения, распространённая в аэрокосмической инженерии, где пероксидное топливо выводит спутники на орбиту, но ранее неизвестная в биологии. "Это разложение перекиси водорода использовалось для питания крупномасштабных ракет, — говорит Эрика Хастингс, доктор философии, постдокторант кафедры биохимии в SFESOM. — Но я не думаю, что это когда-либо наблюдалось в биологических системах".
Перекись водорода содержится в высоких концентрациях внутри микроскопического компартмента с кристаллами железа, и паразиты производят это соединение как продукт жизнедеятельности, поэтому оно выделялось исследователям как потенциальное химическое топливо, которое может приводить кристаллы в движение. Действительно, учёные обнаружили, что одной только перекиси водорода достаточно, чтобы заставить очищенные кристаллы вращаться — без участия паразита.
И наоборот, когда исследователи выращивали малярийных паразитов при необычно низком уровне кислорода (что снижает количество производимого паразитами пероксида), кристаллы замедлялись примерно вдвое по сравнению с нормальной скоростью, хотя паразиты в остальном были здоровы.
Движение кристаллов может способствовать выживанию паразита
Исследователи полагают, что неистовое движение кристаллов может быть важно для выживания малярийных паразитов, и у них есть несколько идей, почему. Сам пероксид чрезвычайно токсичен для клеток. Вращающиеся кристаллы могут быть способом для малярийного организма "сжигать" избыток токсичного пероксида, прежде чем он вызовет вредные химические реакции и повредит паразита.
Сигала добавляет, что вращательное движение также может помогать паразиту быстро избавляться от избытка гема, предотвращая слипание кристаллов. Слипшиеся кристаллы помешали бы паразиту так же быстро накапливать дополнительный гем, поскольку у них была бы меньшая доступная поверхность для добавления нового гема. Поддерживая кристаллы в постоянном движении, малярийный паразит может обеспечивать эффективное связывание дополнительного гема.
Питание для новых роботов и новых лекарств
Вращающиеся кристаллы являются первым известным в биологии примером самодвижущейся металлической наночастицы, говорят исследователи. Но они подозревают, что это явление гораздо более распространено.
Новые результаты могут вдохновить на улучшенные конструкции микроскопических роботов, добавляют исследователи.
"Наноинженерные самодвижущиеся частицы могут использоваться для различных промышленных применений и доставки лекарств, и мы считаем, что из этих результатов можно извлечь потенциально полезные идеи", — говорит Сигала.
Результаты также могут в конечном итоге привести к созданию более эффективных противомалярийных препаратов. "Мы считаем, что разложение перекиси водорода, вероятно, вносит важный вклад в снижение клеточного стресса, — говорит Сигала. — Если есть способы заблокировать химию на поверхности кристалла, этого одного может быть достаточно, чтобы убить паразитов".
Их крошечные химические ракеты радикально отличаются от любого известного аспекта биологии человека — а это означает, что они являются мощной потенциальной мишенью для лекарств. Препараты, нацеленные на такой уникальный для паразита механизм, с гораздо меньшей вероятностью будут иметь опасные побочные эффекты.
"Если мы нацелим лекарство на область, сильно отличающуюся от человеческих клеток, то, вероятно, у него не будет экстремальных побочных эффектов, — объясняет Хастингс. — Если мы сможем определить, чем этот паразит отличается от наших организмов, это откроет нам новые направления для создания лекарств".