"Молекулярный градусник" впервые измерил температуру в митохондриях клеток

Температура тела каждого здорового человека в течение дня колеблется в небольших пределах – от 35,5 до 37,5 градусов Цельсия. Исследователи всегда предполагали, что большинство физиологических процессов в организме происходит при этой температуре.

Известно, что тепло, необходимое для поддержания такой температуры в условиях более холодной окружающей среды, генерируется крошечными органоидами – митохондриями (в 1957 году их назвали "клеточными электростанциями"). И вот они-то как раз преподнесли специалистам сюрприз.

Международная команда во главе с французскими учёными из биомедицинского исследовательского центра INSERM и Национального центра научных исследований Франции (CNRS) выяснила, что температура митохондрий в их нормальном "рабочем" состоянии составляет 50 градусов Цельсия.

Работа велась совместно с известным экспертом по биохимии профессором Ником Лейном (Nick Lane) из Университетского колледжа Лондона (он провёл "независимое расследование" и опубликовал сопутствующую научную статью).

Учёные поясняют: чтобы обеспечить стабильную внутреннюю температуру, человеческий организм использует тепло, выделяемое на последней стадии потребления пищи. Речь идёт о сжигании питательных веществ в митохондриях, которых в каждой клетке насчитывается в среднем несколько десятков или сотен.

Эти органоиды образуют сложную сеть внутри клетки, а их содержимое изолировано от остальной части клетки двумя мембранами. В митохондриях протекает множество катализируемых химических реакций. Около 40% энергии, которая высвобождается этими "электростанциями клеток", захватывается в виде соединения, всем известного с уроков биологии. Это АТФ – аденозинтрифосфат, который участвует в управлении многими функциями организма – в их числе, например, сердечные сокращения, активность мозга, сокращение мышц.

Остальные 60% энергии, высвобождаемой митохондриями, уходят на термогенез – поддержание теплового баланса в теле.

Но, оказывается, для поддержания постоянной температуры тела на уровне 37,5 градусов Цельсия самим митохондриям приходится "нагреваться" ещё больше. По сути они действуют как термостатические радиаторы в плохо изолированном помещении, которые работают при гораздо более высокой температуре, чем окружающая среда.

Чтобы измерить температуру в митохондриях, учёные использовали "молекулярный термометр" (Mito Thermo Yellow) – химический флуоресцентный зонд, чувствительный к изменениям температуры.

Для экспериментов авторы выращивали в чашках Петри культуры клеток, почек и кожи человека. Их содержали при 38 градусах Цельсия.

Когда в функционирующие митохондрии клеток ввели "градусник", он показал повышение температуры в среднем на десять градусов по сравнению с окружающей (клеточной) средой. Причём температура митохондрий понижалась, если те инактивировались различными способами.

Авторы рассказывают, что им потребовалось два года, чтобы решиться опубликовать свои данные. Всё это время исследователи проверяли свои результаты, устраняя другие факторы, которые могли бы повлиять на флуоресценцию "градусника" – концентрацию клеток, уровни рН, напряжение клеточных мембран и так далее.

Ник Лэйн, который не участвовал в исследовании, но помог журналу PLOS Biology оценить эту работу, считает результаты захватывающими. Он также отметил, что учёным теперь предстоит провести ещё больше исследований, чтобы понять, почему раньше никто не заметил такой важный факт, какое значение имеет "концепция температуры" в микроскопических масштабах организма и как новые способы измерения температуры на клеточном уровне могут ещё пригодится биологам.

"Нам нужно знать гораздо больше о специфическом поведении Mito Thermo Yellow и его точном расположении в митохондрии, прежде чем мы сможем прийти к каким-либо твёрдым выводам о "температуре". Я сомневаюсь, что разницу в десять градусов следует воспринимать буквально, но её стоит воспринимать всерьёз", — добавляет Лейн.

Сами же авторы признают, что высокие температуры в микропространстве внутри митохондрий являются неожиданными, но подчёркивают, что это "откровение" должно привести к переоценке того, как функционируют митохондрии и какова их роль в клетках.

Значительная часть наших знаний о митохондриях, об активности их ферментов и проницаемости мембран, о последствиях генетических дефектов, которые ухудшают их активность, о влиянии токсинов или наркотиков, были установлены при 37,5 градусов Цельсия, то есть считать все эти результаты правильными уже было бы некорректно, говорят исследователи.

Научная статья учёных, как и статья Ника Лейна, была опубликована в издании PLOS Biology.

Добавим, что ранее внутренний мир клеток впервые показали в формате 3D. Кроме того, теперь учёные могут точно прогнозировать продолжительность жизни по всплескам активности в клеточных "батарейках", митохондриях.