Вооружившись крошечным новым зондом-термометром, который может быстро измерять температуру внутри клетки, исследователи из Университета Иллинойса пролили свет на загадочный аспект метаболизма: выделение тепла.
Исследователи обнаружили, что Митохондрии, электростанции клетки, выделяют быстрые выбросы тепла, высвобождая энергию, хранящуюся во внутренней протонной «батарее». Они говорят, что лучшее понимание этого процесса может указать на новые цели для лечения ожирения и рака.
Во главе с профессором механики и инженерии Сандживом Синхой они опубликовали свои выводы в журнале Nature Communications Biology.
«Производство тепла является частью роли митохондрий в центре активности метаболизма», - сказал Синха. «Он должен производить энергетическую валюту, которая используется для деятельности в клетке, а тепло в большинстве случаев является одним из побочных продуктов. Но есть механизм, который может ускорить этот процесс, чтобы производить больше тепла, когда тело в нем нуждается. Это то, что делают жировые клетки, когда им нужно тепло, когда температура тела падает».
Чтобы лучше понять это увеличение теплоотдачи, исследователи разработали крошечный термометр с быстрым считыванием показаний для внутреннего измерения температуры внутри живых клеток. Механическая конструкция оказалась сложной: он должен был быть достаточно длинным, чтобы добраться до клетки под микроскопом, но достаточно маленьким в диаметре, чтобы не повредить клетку и не нарушить ее внутренние процессы.
«Подумайте о том, как мы измеряем температуру с помощью зонда под языком. По сути, мы делаем то же самое, но внутри одной клетки», - сказал Синха. «И мы хотели быть очень быстрыми, чтобы измерить то, что происходит. Внутри клетки все происходит очень быстро. не быть точным."
Группа Синхи сотрудничала с исследователями из лаборатории Ранора Джиллета, почетного профессора молекулярной и интегративной физиологии в Иллинойсе, чтобы протестировать зонд на богатом митохондриями штамме нейронов. Они заставили митохондрии производить тепло, используя методы, установленные в предыдущей работе, но были поражены очень быстрыми изменениями температуры, которые зонд смог измерить..
«Мы обнаружили некоторые результаты, которые полностью отличались от того, что было опубликовано ранее», - сказал Манджунат Раджагопал, аспирант и первый автор исследования.«Мы наблюдали резкий всплеск температуры, который был значительно большим и кратковременным - около 5 градусов Цельсия и менее одной секунды. Золотым стандартом для измерения была флуоресценция, но она слишком медленная, чтобы увидеть этот короткий сильный всплеск тепла. … Просто с помощью простого зонда, измеряющего на высокой скорости, мы продемонстрировали, что можем находить вещи, которые другие методы упускают из виду».
Исследователи ранее предполагали, что повышенная теплоотдача митохондрий происходит из-за повышенного расщепления глюкозы, но пики тепла, измеренные группой Синхи, были слишком высокими.
«Это не может быть высвобождение такой энергии из метаболизма накопленной глюкозы. Это просто не имеет смысла», - сказал Синха. «Откуда она берется? Должен быть источник этой энергии».
Исследователи определили, что всплеск энергии соответствовал разрядке клеточной батареи, питаемой протонами. Они подтвердили это, индуцируя аналогичные скачки температуры с помощью специальных молекул, которые открывают белковые каналы в мембране митохондрий.
«В митохондриях одна часть реакции метаболизма глюкозы хранит часть энергии в виде протонной батареи. Она выталкивает все протоны на одну сторону мембраны, что создает запас энергии», - сказал Раджагопал. «Мы фактически замкнули накопленную 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 есть естественные белки, которые открывают протонные ворота, высвобождая накопленную протонную энергию. Группа Синхи хотела бы сотрудничать с биологами, чтобы изучить, как этот процесс естественным образом происходит в жировых клетках, когда требуется тепло - например, когда температура тела падает - и можно ли использовать белки, высвобождающие протоны, для лечения ожирения.
"Рак был бы еще одним приложением", сказал Раджагопал. «Раковые клетки имеют множество перепрограммированных метаболических путей, которые часто доводятся до крайностей. Этот зонд дает нам инструмент для изучения тепловой активности, связанной с различными метаболическими путями».