Новое исследование в журнале Nature Aging взяло страницу из области возобновляемой энергии и показало, что генетически модифицированные митохондрии могут преобразовывать энергию света в химическую энергию, которую могут использовать клетки, что в конечном итоге продлевает жизнь круглого червя C. elegans. Хотя перспектива создания заряженных солнечным светом клеток у людей - это скорее научная фантастика, чем наука, результаты исследования проливают свет на важные механизмы процесса старения.

"Мы знаем, что дисфункция митохондрий является следствием старения", - сказал Эндрю Войтович, доктор философии, доцент кафедры анестезиологии и периоперационной медицины, фармакологии и физиологии Медицинского центра Рочестерского университета и старший автор исследования.

"Это исследование показало, что простое усиление метаболизма с помощью митохондрий, питаемых светом, дало лабораторным червям более долгую и здоровую жизнь. Эти выводы и новые инструменты исследования позволят нам продолжить изучение митохондрий и найти новые способы лечения возрастных заболеваний и более здоровой старости".

Митохондрии - это органеллы, находящиеся в большинстве клеток организма. Часто называемые клеточными электростанциями, митохондрии используют глюкозу для производства аденозинтрифосфата (АТФ) - соединения, которое обеспечивает энергией ключевые функции клетки, такие как сокращение мышц и электрические импульсы, помогающие нервным клеткам общаться друг с другом.

Производство АТФ происходит в результате ряда реакций, которые становятся возможными благодаря обмену протонами через мембрану, разделяющую различные отсеки митохондрий, что в конечном итоге формирует процесс, называемый мембранным потенциалом. Было показано, что мембранный потенциал снижается с возрастом, что потенциально может играть роль в ряде возрастных заболеваний, таких как нейродегенеративные расстройства.

В новом исследовании участвовали C. elegans, микроскопические круглые черви, которые, подобно плодовой мушке дрозофиле, уже давно являются инструментом исследования, используемым учеными для понимания основных биологических принципов, которые, во многих случаях, применимы во всем животном мире.

Для проведения экспериментов группа исследователей из США и Германии адаптировала существующий исследовательский инструмент, который позволил им манипулировать активностью митохондрий. Эта техника, называемая оптогенетикой, традиционно используется для нацеливания и активации определенных нейронов, что позволяет исследователям более точно изучать паттерны активности мозга.

Исследователи генетически сконструировали митохондрии C. elegans так, чтобы они включали активируемый светом протонный насос, полученный из гриба, и впервые описали это достижение в статье, опубликованной в 2020 году в журнале EMBO Reports.

В новом исследовании при воздействии света протонные насосы перемещали заряженные ионы через мембрану, используя энергию света для зарядки митохондрий. Этот процесс, который исследователи назвали митохондрия-ОН (mtON), увеличивал мембранный потенциал и производство АТФ, что приводило к увеличению продолжительности жизни круглых червей на 30-40%.

Брендон Берри, доктор философии, получивший докторскую степень по физиологии в Университете Рочестера и в настоящее время являющийся постдокторским ученым в Университете Вашингтона, является первым автором обоих исследований. "Митохондрии похожи на промышленные электростанции, поскольку они сжигают источник углерода, в первую очередь глюкозу, для производства полезной энергии для клетки", - говорит Берри.

"То, что мы сделали, это, по сути, подключили солнечную панель к существующей инфраструктуре электростанции. В данном случае солнечная батарея - это оптогенетический инструмент mtON. Нормальный митохондриальный механизм способен использовать световую энергию для получения АТФ в дополнение к обычному пути сгорания".

Исследование имеет важное значение, поскольку оно дает исследователям больше понимания сложных биологических ролей, которые митохондрии играют в человеческом организме, - темы, которую научное сообщество только сейчас начинает понимать. Исследование также создает новый метод манипулирования и изучения митохондрий в среде живой клетки. Это может послужить важной платформой для изучения митохондрий и определения способов вмешательства и поддержки их функционирования.

"Нам нужно больше понять, как митохондрии ведут себя в животном мире", - говорит Берри. "Сначала у червей, как в нынешнем исследовании, а затем в человеческих клетках в культуре и у грызунов. Таким образом, будущие исследования будут хорошо проинформированы, чтобы нацелиться на наиболее вероятных игроков в человеческих болезнях и старении".