Neue Forschung in der Zeitschrift natürliches Altern nimmt eine Seite aus dem Bereich der erneuerbaren Energien und zeigt, dass gentechnisch veränderte Mitochondrien Lichtenergie in chemische Energie umwandeln können, die Zellen nutzen können, wodurch letztendlich die Lebensdauer des Spulwurms C. elegans verlängert wird. Während die Aussicht auf sonnengeladene Zellen beim Menschen eher Science-Fiction als Wissenschaft ist, werfen die Ergebnisse Licht auf wichtige Mechanismen des Alterungsprozesses.
„Wir wissen, dass mitochondriale Dysfunktion eine Folge des Alterns ist“, sagte er Andrew Wojtovich, Ph.D., außerordentlicher Professor für Anästhesiologie und perioperative Medizin sowie Pharmakologie und Physiologie am University of Rochester Medical Center und Hauptautor der Studie. „Diese Studie ergab, dass die bloße Steigerung des Stoffwechsels durch lichtbetriebene Mitochondrien Laborwürmern ein längeres und gesünderes Leben verlieh. Diese Entdeckungen und neuen Forschungsinstrumente werden es uns ermöglichen, die Mitochondrien weiter zu untersuchen und neue Wege zur Behandlung altersbedingter Krankheiten zu finden und ein gesünderes Altern zu erreichen.
Mitochondrien sind Organellen, die in den meisten Körperzellen vorhanden sind. Mitochondrien werden oft als zelluläre Kraftwerke bezeichnet und verwenden Glukose, um Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren, die Verbindung, die Energie für wichtige Zellfunktionen wie Muskelkontraktion und elektrische Impulse liefert, die den Nervenzellen helfen, miteinander zu kommunizieren.
Die Produktion von ATP ist das Ergebnis einer Reihe von Reaktionen, die durch den Austausch von Protonen über eine Membran ermöglicht werden, die verschiedene Kompartimente in den Mitochondrien trennt. Die Effizienz, mit der dies geschieht, wird als Membranpotential bezeichnet. Das Membranpotential, das bekanntermaßen mit dem Alter abnimmt, ist aufgrund seiner potenziellen Rolle bei einer Reihe von altersbedingten Erkrankungen, wie z. B. neurodegenerativen Erkrankungen, ein Thema von großem Interesse für die wissenschaftliche Gemeinschaft.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) war für bedeutende Entdeckungen in der Molekular- und Zellbiologie verantwortlich.
Die neue Forschung umfasste C. elegans, einen mikroskopisch kleinen Spulwurm, der wie die Fruchtfliege Drosophila seit langem ein Forschungsinstrument ist, das von Wissenschaftlern verwendet wird, um grundlegende biologische Prinzipien zu verstehen, die in vielen Fällen für das gesamte Tierreich gelten.
Zur Durchführung der Experimente wandte sich ein Forscherteam aus den Vereinigten Staaten und Deutschland der Optogenetik zu, einem Forschungsinstrument, das Licht zur Steuerung biologischer Prozesse in Zellen nutzt. Neurowissenschaftler verwenden Optogenetik, um spezifische Neuronen anzuvisieren und zu aktivieren, um Muster der Gehirnaktivität zu untersuchen. Das Tool ermöglichte es den Forschern, die Aktivität der Mitochondrien von C. elegans anzuvisieren und zu manipulieren, eine Aufgabe, die durch die Tatsache erleichtert wurde, dass die Würmer transparent sind.
Die Forscher modifizierten die Mitochondrien von C. elegans genetisch, um eine lichtaktivierte Protonenpumpe aus einem Pilz aufzunehmen, eine Errungenschaft, die das Team erstmals in einem Artikel aus dem Jahr 2020 in der Zeitschrift EMBO Reports beschrieb. In der neuen Studie bewegen Protonenpumpen, wenn sie Licht ausgesetzt werden, geladene Ionen durch die Membran und nutzen die Energie des Lichts, um Mitochondrien aufzuladen. Dieser Prozess, den die Forscher Mitochondrien-ON (mtON) nannten, erhöhte das Membranpotential und die ATP-Produktion und führte zu einer 30-40%igen Verlängerung der Lebensdauer des Spulwurms.
Brandon Berry, Ph.D., der an der University of Rochester in Physiologie promoviert hat und jetzt Postdoktorand an der University of Washington ist, ist der Erstautor beider Studien. „Mitochondrien ähneln Industriekraftwerken darin, dass sie eine Kohlenstoffquelle, hauptsächlich Glukose, verbrennen, um nützliche Energie für die Zelle zu erzeugen“, sagte Berry. „Was wir getan haben, ist im Grunde genommen, ein Solarpanel an die Infrastruktur des bestehenden Kraftwerks anzuschließen. In diesem Fall ist das Solarpanel das optogenetische Werkzeug von mtON. Die normale mitochondriale Maschinerie ist dann in der Lage, Lichtenergie zu nutzen, um ATP bereitzustellen zusätzlich zum normalen Verbrennungsweg.
Die Studie ist wichtig, weil sie Forschern einen besseren Einblick in die komplexen biologischen Rollen gibt, die Mitochondrien im menschlichen Körper spielen, etwas, das die wissenschaftliche Gemeinschaft gerade erst zu verstehen beginnt. Die Studie schafft auch eine neue Methode zur Manipulation und Untersuchung von Mitochondrien in der Umgebung einer lebenden Zelle. Dies könnte als wichtige Plattform dienen, um Mitochondrien zu untersuchen und Wege zu finden, einzugreifen und die Funktion zu unterstützen.
„Wir müssen besser verstehen, wie sich Mitochondrien tatsächlich in einem Tier verhalten“, sagte Berry. „Zuerst in Würmern, wie die aktuelle Studie, aber dann in kultivierten menschlichen Zellen und in Nagetieren. Auf diese Weise wird die zukünftige Forschung gut informiert sein, um die wahrscheinlichsten Akteure bei Erkrankungen und Alterung des Menschen anzusprechen.
Weitere Co-Autoren der Studie sind Anežka Vodičková von der University of Rochester, Matt Kaeberlein von der University of Washington, Annika Müller-Eigner und Shahaf Peleg vom Forschungsinstitut für Agrarbiologie in Deutschland sowie Chen Meng und Christina Ludwig von der Technische Universität München in Deutschland. Die Forschung wurde mit Unterstützung der National Institutes of Health und einem Longevity Impetus Grant finanziert.
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