加州大学欧文分校领导的研究小组揭示了线粒体的电池样功能

加州尔湾，2023 年 11 月 27 日 – 加州大学欧文分校和宾夕法尼亚大学的研究人员使用新型超分辨率显微镜首次观察到从细胞中分离出的线粒体内的电荷和放电功能。

线粒体是细胞内的一种结构，它利用有氧呼吸产生三磷酸腺苷，三磷酸腺苷是一种有机化合物，可提供能量以支持活组织中的许多过程。医学和生物医学工程研究人员已经寻求对线粒体的更深入的了解，认识到它们在人类健康和疾病中的重要性。

虽然过去的许多研究项目已经研究了这些成分存在于活细胞中的物理特征，但UCI领导的项目是第一个使用超分辨率显微镜来研究活的细胞外线粒体的项目。通过以这种方式观察不同代谢状态下线粒体膜的变化，研究人员能够目睹这些活细胞器的电生理功能。该团队的研究结果发表在 《ACS Nano》杂志上。

“当我们第一次开始研究孤立的线粒体时，我们知道它们的行为就像基于东京都老年学研究所和加州大学洛杉矶分校的一些工作，但我们无法很好地控制它们在细胞内探测它们，”合著者Peter Burke说，UCI电气工程和计算机科学教授。“现在我们可以控制每个单独的电气元件，并使其充电和放电。

他说，新一代超分辨率显微镜使这项工作成为可能。团队成员在他们的研究中使用了所有三种领先的方法——艾里显微镜、受激发射耗尽显微镜和晶格结构照明显微镜。

这使他们能够检查线粒体内重复的蛇形结构，其尺寸约为100纳米。Burke说，可见光的最短波长是紫色，大约为380纳米，因此他们需要强大的仪器 – 超分辨率显微镜 – 来探测小于该尺寸三分之一的电压分布。

“想象一下，试图研究特斯拉的电池组是如何工作的，但你只能通过驾驶汽车来做到这一点，”他说。“你不会对车内的电池组了解太多。

通过将线粒体从细胞中取出并保持它们的生命，伯克和他的合作者——

主要作者ChiaHung Lee，UCI生物医学工程研究生研究员和宾夕法尼亚大学的Douglas Wallace – 能够对它们进行充电和放电。

“我们可以详细观察每个单独的部件如何表现为单个电池，就像无人机和汽车中的电池组 – 这是许多较小的电池 – 如何单独组合为车辆提供动力，”伯克说。“有趣的是，我们发现电池在充电和放电时会重新排列，这是普通电池所没有的功能。

他指出，他的实验证明了研究人员在研究冷冻（死亡）线粒体快照时长期以来的想法：内部结构会随着细胞的代谢需求而变化。线粒体可以根据需要创建和破坏其“电池”（嵴）。这表明，与无人机和特斯拉不同，线粒体可以根据细胞需要多少能量来改变其内部形状。

伯克说，这项工作可能在人类健康方面有广泛的应用，包括研究人类如何在细胞水平上衰老。

“一旦我们了解了它们如何产生能量，我们就可以开始思考如何改变它以改善人类健康和长寿，”他说。

该项目由美国国立卫生研究院和陆军研究办公室资助。

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