Микротермометр измерил, как митохондрии нагревают клетку, высвобождая энергию протонов
Исследователи из Университета Иллинойса, вооружившись новым микротермометрическим зондом, способным быстро измерять температуру внутри клетки, пролили свет на загадочный аспект метаболизма: генерацию тепла.
Они обнаружили, что митохондрии, энергетические станции клетки, выделяют короткие всплески тепла, высвобождая энергию, запасённую во внутренней «протонной батарее». Понимание этого процесса может указать на новые мишени для лечения ожирения и рака.
Результаты исследования под руководством профессора Санжива Синхи опубликованы в журнале Communications Biology издательства Nature.
Для изучения этого усиленного тепловыделения исследователи разработали крошечный зонд-термометр для быстрого измерения температуры внутри живых клеток. Конструкция зонда должна была быть достаточно длинной, чтобы достичь клетки под микроскопом, но достаточно тонкой, чтобы не повредить её и не нарушить внутренние процессы.
Группа Синхи сотрудничала с лабораторией профессора Рэнора Жиллета, чтобы протестировать зонд на богатых митохондриями нейронах. Исследователи стимулировали митохондрии к выработке тепла, но были поражены очень быстрыми изменениями температуры, которые смог измерить зонд.
«Мы обнаружили результаты, полностью отличающиеся от ранее опубликованных, — сказал аспирант Манджунат Раджагопал. — Мы увидели резкий скачок температуры, который значительно велик и кратковременен — около 5 градусов Цельсия и длится менее секунды. Золотым стандартом измерения была флуоресценция, но она слишком медленная, чтобы увидеть этот короткий, высокий всплеск тепла».
Ранее предполагалось, что повышенное тепловыделение митохондрий связано с усиленным расщеплением глюкозы, но измеренные группой Синхи тепловые всплески были слишком высокими.
Исследователи установили, что всплеск энергии соответствует разрядке клеточной батареи, работающей на протонах. Они подтвердили это, вызвав аналогичные температурные скачки с помощью специальных молекул, открывающих белковые каналы в мембране митохондрий.
«В митохондриях часть реакции метаболизма глюкозы запасает некоторую энергию в виде протонной батареи. Она перемещает все протоны на одну сторону мембраны, что создаёт хранилище энергии, — объяснил Раджагопал. — Мы, по сути, замкнули накоротко запасённую энергию».
Исследователи планируют использовать температурный зонд для изучения процесса «короткого замыкания» митохондрий в других клеточных линиях с целью выявления терапевтических мишеней. Например, в жировых клетках естественным образом присутствуют белки, открывающие «протонные ворота». Группа Синхи хотела бы изучить, как этот процесс происходит в жировых клетках, когда требуется тепло, и можно ли нацелиться на эти белки для лечения ожирения.
«Другое возможное применение — онкология, — отметил Раджагопал. — Раковые клетки имеют множество перепрограммированных метаболических путей, которые часто доведены до крайности. Этот зонд даёт нам инструмент для изучения тепловой активности, связанной с разными метаболическими путями».