Wetenschappers vergelijken mitochondriën met Tesla-batterijpakketten
Nieuw onderzoek laat zien dat mitochondriën, de kleine krachtpatsers die in cellen leven en ze energie geven, meer werken als een Tesla-batterijpakket dan als het soort batterij dat je in een zaklamp stopt.
Afgezien van rode bloedcellen bevatten alle cellen in het menselijk lichaam een of meer mitochondriën, en sommige bevatten duizenden. Deze interne celstructuren, of organellen, gebruiken zuurstof om chemische energie-eenheden voor de cel te maken.
Mitochondriën zijn ongebruikelijk omdat ze twee membranen hebben: een gladde aan de buitenkant en een gerimpeld, gevouwen membraan aan de binnenkant.
Wetenschappers noemen de plooien van het interne membraan van een mitochondrion cristae. Tot voor kort dachten ze dat het doel van het vouwen was om het oppervlak voor het produceren van energie te vergroten.
De auteurs van een recent EMBO Journal studiepapier verdrijft dit idee.
In plaats daarvan stellen ze voor dat de cristae meer lijken op onafhankelijke batterijen die samenwerken in een array, vergelijkbaar met de Tesla-batterijpakketten die elektrische auto's aandrijven.
Een reeks autonome batterijen
De onderzoekers kwamen tot deze conclusie nadat ze de energieproductie in mitochondriën hadden gevisualiseerd met behulp van microscopie met hoge resolutie.
"Wat de beelden ons vertelden, was dat elk van deze cristae elektrisch onafhankelijk is en als een autonome batterij functioneert", zegt senior studie auteur Dr. Orian S. Shirihai, een professor in de geneeskunde in endocrinologie en farmacologie aan de David Geffen School of Medicine in de Universiteit van Californië, Los Angeles.
"Eén crista," voegt hij eraan toe, "kan beschadigd raken en niet meer functioneren terwijl de anderen hun membraanpotentieel behouden."
Wetenschappers geloofden lange tijd dat elk mitochondrion een enkele bio-energetische eenheid omvatte. De auteurs verwijzen naar typische eerdere experimenten, waarvan de resultaten ertoe leidden dat onderzoekers concluderen dat "het hele organel functioneert als één elektrochemische eenheid."
Inderdaad, wat Dr. Shirihai kon zien met traditionele microscopie leek dit te bevestigen. Het observeren van goed functionerende cellen met een paar zeer lange mitochondriën suggereerde niet het idee van veel kleine batterijen.
“Niemand had hier eerder naar gekeken omdat we zo opgesloten zaten in deze manier van denken; de aanname was dat één mitochondrion één batterij betekende ”, legt hij uit.
Ongekende hoge resolutie beeldvorming
Door gesprekken met ingenieurs die elektrische voertuigen ontwerpen, werd dr. Shirihai echter bewust van de voordelen van reeksen van heel veel kleine batterijen in plaats van één grote.
"Als er iets met één [batterij] cel gebeurt", merkt hij op, "kan het systeem blijven werken, en meerdere kleine batterijen kunnen een zeer hoge stroom leveren wanneer je die nodig hebt."
Afhankelijk van het model kunnen elektrische Tesla-voertuigen tot 7.000 kleine batterijcellen hebben. Deze hebben de vorm van een rooster waarmee het voertuig snel kan opladen en efficiënt kan koelen. Zo'n opstelling levert ook veel acceleratiekracht op.
Om de mitochondriën van dichtbij te bekijken, heeft het team "een nieuwe benadering ontwikkeld voor het afbeelden van het [binnenste mitochondriale membraan] met een hoge spatiotemporele resolutie in levende cellen." Wetenschappers hadden nog nooit zo'n hoge resolutie gezien.
Met de nieuw geoptimaliseerde microscopie met hoge resolutie kon het team de spanningsverdeling en energieproductie in de mitochondriën visualiseren.
Eiwitclusters werken als elektrische isolatoren
De onderzoekers zagen hoe eiwitclusters tussen de cristae fungeerden als elektrische isolatoren. Ze wisten al dat mitochondriën zonder de eiwitclusters gemakkelijker afbreken. In feite zag het team ook hoe mitochondriën zonder eiwitclusters zich meer gedroegen als één grote batterijcel.
De auteurs suggereren dat deze onderzoeksresultaten niet alleen het begrip vergroten van hoe mitochondriën werken, maar ook hoe de organellen bijdragen aan ziekte, veroudering en zelfs medische complicaties.
Deskundigen hebben een aantal medische complicaties - zoals ischemie-reperfusieletsel - in verband gebracht met de ernstige verstoring van cristae in mitochondriën.
Dr. Shirihai mijmert: "De batterij-experts met wie ik oorspronkelijk had gesproken, waren erg opgewonden om te horen dat ze gelijk hadden."
Wetenschappers geloven dat mitochondriën zijn geëvolueerd uit een oude samenwerking die tot stand kwam toen cellen met kernen zuurstofafhankelijke eenvoudige cellen overspoelden die geen kern hadden. In ruil voor bescherming voorziet de geïnternaliseerde cel of organel zijn gastheer van energie.
"Het blijkt dat mitochondriën en Tesla's, met hun vele kleine batterijen, een geval van convergente evolutie zijn."
Dr. Orian S. Shirihai
