Ученые обнаружили батарейные функции митохондрий с помощью суперразрешающих микроскопов

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне и Пенсильванского университета впервые наблюдали функции электрического заряда и разряда внутри митохондрий, изолированных из клеток, с помощью новых суперразрешающих микроскопов.

Митохондрия — это структура внутри клетки, которая использует аэробное дыхание для генерации аденозинтрифосфата (АТФ), органического соединения, обеспечивающего энергией многие процессы в живых тканях.

В то время как многие прошлые исследования изучали физические характеристики этих компонентов внутри живых клеток, этот проект под руководством UCI впервые использовал суперразрешающие микроскопы для изучения живых, внеклеточных митохондрий. Наблюдая за изменениями в мембранах митохондрий при разных метаболических состояниях, исследователи смогли засвидетельствовать электрофизиологическое функционирование этих живых органелл. Результаты команды опубликованы в журнале ACS Nano.

"Когда мы только начали изучать изолированные митохондрии, мы знали, что они ведут себя как батарея... но мы не могли контролировать их внутри клетки, чтобы исследовать. Теперь мы можем контролировать каждый отдельный электрический компонент и заставлять его заряжаться и разряжаться", — сказал соавтор Питер Берк, профессор электротехники и компьютерных наук UCI.

Работа стала возможной благодаря новому поколению суперразрешающих микроскопов. Члены команды использовали все три ведущих метода: микроскопию Airy, микроскопию с подавлением спонтанного излучения (STED) и структурированную освещением микроскопию с решеткой.

Это позволило им исследовать кристы — повторяющиеся извилистые структуры внутри митохондрий размером около 100 нанометров. Самая короткая длина волны видимого света — фиолетовая, около 380 нанометров, поэтому для исследования распределения напряжения в структурах меньше трети этого размера потребовались мощные инструменты — суперразрешающие микроскопы.

"Представьте, что вы пытаетесь изучить, как работает аккумулятор в Tesla, но можете делать это только во время вождения автомобиля", — сказал Берк.

Извлекая митохондрии из клетки и поддерживая их в живом состоянии, Берк и его коллеги смогли заряжать и разряжать их.

"Мы могли детально наблюдать, как каждая отдельная часть ведет себя как единая батарея... Интересно, что мы обнаружили, что батареи перестраиваются, когда заряжаются и разряжаются, — особенность, не характерная для обычных батарей", — отметил Берк.

Он подчеркнул, что его эксперименты подтвердили давнее предположение исследователей, изучавших снимки замороженных (мертвых) митохондрий: внутренняя структура меняется в ответ на метаболические потребности клетки. Митохондрия может создавать и разрушать свои "батареи" (кристы) по мере необходимости. Это показывает, что, в отличие от дронов и Tesla, митохондрии могут изменять свою внутреннюю форму в зависимости от того, сколько энергии требуется клеткам.

Берк отметил, что эта работа может иметь широкое применение в области здоровья человека, включая исследования клеточного старения.

"Как только мы поймем, как они создают энергию, мы сможем начать думать о способах изменить это для улучшения здоровья и долголетия человека", — сказал он.