Neue Forschung in der Zeitschrift Altern in der Natur 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, was letztendlich das Leben des Spulwurms C. elegans verlängert. 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 Andrew Wojtovich, Ph.D., außerordentlicher Professor für Anästhesiologie und perioperative Medizin sowie Pharmakologie und Physiologie am University of Rochester Medical Center und leitender Autor der Studie.
„Diese Studie ergab, dass Laborwürmer durch die einfache Steigerung des Stoffwechsels mit lichtbetriebenen Mitochondrien länger und gesünder lebten. Diese Erkenntnisse und neuen Forschungsinstrumente werden es uns ermöglichen, Mitochondrien weiter zu untersuchen und neue Wege zur Behandlung altersbedingter Krankheiten und zu einem gesünderen Alter zu finden.“
Mitochondrien sind Organellen, die in den meisten Zellen des Körpers vorkommen. Mitochondrien werden oft als Zellkraftwerke bezeichnet und verwenden Glukose, um Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren, die Verbindung, die Energie für Schlüsselfunktionen in der Zelle liefert, wie z. B. Muskelkontraktion und die elektrischen Impulse, 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 Mitochondrien trennt, wodurch letztendlich ein Prozess entsteht, der als Membranpotential bezeichnet wird. Es wurde gezeigt, dass das Membranpotential mit zunehmendem Alter abnimmt, was möglicherweise eine Rolle bei einer Reihe von altersbedingten Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen spielt.
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 im gesamten Tierreich gelten.
Um die Experimente durchzuführen, passte ein Forscherteam aus den USA und Deutschland ein vorhandenes Forschungsinstrument an, das es ihnen ermöglichte, die Aktivität in Mitochondrien zu manipulieren. Die als Optogenetik bezeichnete Technik wird traditionell verwendet, um bestimmte Neuronen anzuvisieren und zu aktivieren, wodurch Forscher Muster der Gehirnaktivität genauer untersuchen können.
Die Forscher haben die Mitochondrien von C. elegans gentechnisch so verändert, dass sie eine lichtaktivierte Protonenpumpe enthalten, die aus einem Pilz gewonnen wurde, eine Errungenschaft, die das Team erstmals in einem Artikel aus dem Jahr 2020 in der Zeitschrift beschrieben hat EMBO-Berichte.
In der neuen Studie bewegten die Protonenpumpen bei Lichteinfall geladene Ionen durch die Membran und nutzten die Energie des Lichts, um die Mitochondrien aufzuladen. Dieser Prozess, den die Forscher Mitochondrien-ON (mtON) nannten, erhöhte das Membranpotential und die ATP-Produktion und führte zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Spulwürmer um 30-40 %.
Brandon Berry, Ph.D., der an der University of Rochester in Physiologie promoviert hat und jetzt Postdoktorand an der University of Washington ist, ist 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 Wesentlichen, ein Solarpanel an die bestehende Kraftwerksinfrastruktur anzuschließen. In diesem Fall ist das Solarpanel das optogenetische Werkzeug mtON. Die normale mitochondriale Maschinerie ist dann in der Lage, die Lichtenergie zu nutzen, um zusätzlich das ATP bereitzustellen zum normalen Verbrennungsweg.“
Die Studie ist wichtig, weil sie Forschern einen tieferen Einblick in die komplexen biologischen Rollen gibt, die Mitochondrien im menschlichen Körper spielen, ein Thema, das die wissenschaftliche Gemeinschaft erst jetzt 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 mehr darüber verstehen, wie sich die Mitochondrien in einem Tier wirklich verhalten“, sagte Berry. „Zuerst in Würmern, wie in der aktuellen Studie, aber dann in menschlichen Zellen in Kultur und in Nagetieren. Auf diese Weise wird die zukünftige Forschung gut informiert sein, um die wahrscheinlichsten Akteure bei menschlichen Krankheiten und Alterung anzusprechen.“
Mehr Informationen:
Die optogenetische Verjüngung des mitochondrialen Membranpotentials verlängert die Lebensdauer von C. elegans, Altern in der Natur (2022). DOI: 10.1038/s43587-022-00340-7. www.nature.com/articles/s43587-022-00340-7