Используя новый датчик из графена - слоя углерода толщиной в один атом - исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне получили новое представление о процессе запрограммированной клеточной смерти в митохондриях, что, возможно, открывает двери для новых путей принуждения раковых клеток к самоуничтожению. Они также сорвали своего рода научный джекпот, обнаружив, что общепринятая парадигма того, как клетки создают энергию, верна лишь наполовину.
В исследовании, опубликованном в Nature's Scientific Reports, Питер Берк, профессор UCI в области электротехники и компьютерных наук, биомедицинской инженерии, химической инженерии и материаловедения, и его команда вместе с сотрудниками Гарвардского университета и Университета Пенсильвания - создали электронный метод наблюдения за изменениями в митохондриях, которые могут свидетельствовать о начале процесса самоуничтожения клетки.
Сотни, даже тысячи митохондрий, каждая из которых имеет внутреннюю и внешнюю мембрану, существуют внутри каждой из наших клеток. Известные как клеточные электростанции, они метаболизируют энергию из углеводов и жиров для создания энергии, которую клетки могут использовать и хранить в виде напряжения на своих поверхностях. Но у них есть и второстепенная роль: они регулируют путь жизни и смерти клетки.
Берк и его коллеги привязали около 10 000 очищенных митохондрий, отделенных от их клеток, к графеновому сенсору с помощью антител, способных распознавать белок в их наружных мембранах. Качества графена позволили ему функционировать как двухрежимный датчик; его исключительная электрическая чувствительность позволила исследователям измерять колебания уровней кислотности, окружающих митохондрии, а его оптическая прозрачность позволила использовать флуоресцентные красители для окрашивания и визуализации напряжения на внутренних митохондриальных мембранах.
Эта способность независимо измерять уровни кислотности и мембранные напряжения привела к двум важным выводам. Исследователи впервые показали, что внутренние и внешние мембраны митохондрий, отвечающие за разные функции, связаны друг с другом отростками; во-вторых, они определили два отдельных и независимых электрохимических градиента, хотя считалось, что существует только один.
Одна находится в пространстве между внутренней и внешней мембранами, а другая заключена в складчатых карманах внутренней мембраны. Это открытие меняет научное понимание преобразования химических питательных веществ в электрическую энергию, которая позволяет клеткам живых организмов функционировать.
Что еще более важно, исследователи связали эти два электрохимических градиента с регуляцией апоптоза или запрограммированной гибелью клеток, отметив изменения в митохондриальной функции, которые могут влиять на пути принятия решений о жизни или смерти. «Это показывает, что существует связь между энергией и апоптозом», - сказал Берк.
Он добавил: «Понимание митохондриального пути апоптоза важно для управления различными заболеваниями, включая рак. Мы создали новую систему для оценки функциональных изменений в митохондриях млекопитающих, но все еще есть открытые вопросы. Графеновый датчик сообщает мы [много], но нам нужно разработать более совершенные инструменты для изучения того, как клетки обрабатывают эти решения о жизни и смерти, если мы когда-либо собираемся искоренить болезнь Нам нужно иметь возможность видеть внутреннюю часть этих наноразмерных структур, чтобы действительно понять их."