Forskare liknar mitokondrier med Tesla-batteripaket
Ny forskning avslöjar att mitokondrier, de små kraftverk som lever inuti celler och ger dem energi, fungerar mer som ett Tesla-batteripaket än den typ av batteri som du sätter i en ficklampa.
Förutom röda blodkroppar innehåller alla celler i människokroppen en eller flera mitokondrier, och vissa innehåller tusentals. Dessa interna cellstrukturer, eller organeller, använder syre för att skapa kemiska enheter av energi för cellen.
Mitokondrier är ovanliga eftersom de har två membran: en slät på utsidan och en skrynklig, vikad på insidan.
Forskare kallar veck på en mitokondrions inre membran för cristae. Fram till nyligen trodde de att syftet med vikningen var att öka ytan för att producera energi.
Men författarna till en nyligen EMBO Journal studiepapper skingra denna idé.
Istället föreslår de att cristae är mer som oberoende batterier som arbetar tillsammans i en grupp, liknar Tesla-batteripaket som driver elbilar.
En rad autonoma batterier
Forskarna kom till denna slutsats efter att ha visualiserat energiproduktion inuti mitokondrier med hjälp av högupplöst mikroskopi.
"Vad bilderna berättade för oss var att var och en av dessa cristae är elektriskt oberoende och fungerar som ett autonomt batteri", säger seniorstudieförfattare Dr Orian S. Shirihai, professor i medicin i endokrinologi och farmakologi vid David Geffen School of Medicine vid University of California, Los Angeles.
"En crista," tillägger han, "kan skadas och sluta fungera medan de andra behåller sin membranpotential."
Under lång tid trodde forskare att varje mitokondrion omfattade en enda bioenergetisk enhet. Författarna hänvisar till typiska tidigare experiment, vars resultat fick utredarna att dra slutsatsen att "hela organellen fungerar som en elektrokemisk enhet."
Det som Dr. Shirihai kunde se med traditionell mikroskopi verkade verkligen bekräfta detta. Att observera celler som fungerade bra med några mycket långa mitokondrier föreslog inte tanken på många små batterier.
”Ingen hade tittat på detta tidigare för att vi var så låsta i detta sätt att tänka; antagandet var att en mitokondrion betydde ett batteri, förklarar han.
Oöverträffad högupplöst avbildning
Men samtal med ingenjörer som designar elektriska fordon gjorde Dr Shirihai medveten om fördelarna med matriser med massor av små batterier istället för ett stort.
"[Jag] om något händer med en [batteri] -cell," konstaterar han, "systemet kan fortsätta att fungera, och flera små batterier kan ge en mycket hög ström när du behöver det."
Beroende på modell kan Tesla elbilar ha upp till 7000 små battericeller. Dessa har formen av ett rutnät som gör att fordonet kan ladda snabbt och svalna effektivt. Ett sådant arrangemang ger också mycket kraft för acceleration.
För att ta en närmare titt inuti mitokondrier utvecklade teamet ett nytt tillvägagångssätt för att avbilda [inre mitokondriellt membran] med hög spatiotemporal upplösning i levande celler. " Forskare hade aldrig tidigare sett en så hög upplösning.
Med den nyligen optimerade högupplösta mikroskopin kunde teamet visualisera spänningsfördelning och energiproduktion inuti mitokondrierna.
Proteinkluster fungerar som elektriska isolatorer
Forskarna såg hur proteinkluster mellan cristae fungerade som elektriska isolatorer. De visste redan att mitokondrier bryts ner lättare utan proteinklusterna. Faktum är att laget såg också hur mitokondrier som saknar proteinkluster beter sig mer som en stor battericell.
Författarna föreslår att dessa studieresultat ökar förståelsen för inte bara hur mitokondrier fungerar utan också hur organellerna bidrar till sjukdom, åldrande och till och med medicinska komplikationer.
Experter har kopplat ett antal medicinska komplikationer - såsom ischemi-reperfusionsskada - till den allvarliga störningen av cristae i mitokondrier.
Dr Shirihai funderar: "Batterikexperterna jag ursprungligen hade pratat med var väldigt glada över att höra att de hade rätt."
Forskare tror att mitokondrier utvecklades från ett gammalt samarbete som uppstod när celler med kärnor uppslukade syreberoende enkla celler som saknade en kärna. I utbyte mot skydd förser den internaliserade cellen, eller organellen, sin värd med energi.
"Det visar sig att mitokondrier och Teslas, med sina många små batterier, är ett fall av konvergerande utveckling."
Dr. Orian S. Shirihai
