Митохондрии живы

Авторское эссе Лиам Читаят

Клетки нашего тела — это остатки древнего союза.

В статье 1967 года под названием «О происхождении митозирующих клетокАмериканский биолог-эволюционист Линн Маргулис предложила идею, которая на первый взгляд кажется смехотворной. Фактически, ее статья была отклонена 12 различными журналами еще до ее публикации.

Маргулис утверждал, что полтора миллиарда лет назад примитивная эукариотическая клетка поглотила бактерию, утилизирующую кислород. Но вместо того, чтобы переварить эту бактерию — или, наоборот, бактерию, уничтожающую своего нового хозяина, — две клетки постепенно вступили в эндосимбиотические отношения; хозяин обеспечивал бактерию питательными веществами и защитой, а бактерия снабжала хозяина энергией. Маргулис утверждал, что этот эндосимбиоз стал плодотворным «инновационным двигателем» для биологических систем, что в конечном итоге привело к появлению современных митохондрий и хлоропластов.

Теория Маргулиса подвергалась нападкам и высмеиваниям, что разожгло академическую вражду, продолжавшуюся десятилетиями. Однако со временем биологи начали принимать ее идеи, поскольку структура мембран и молекулярный механизм митохондрий очень напоминают структуры современных бактерий. Однако сегодня большинство биологов также считают, что митохондрии «превратились» в нечто большее, чем мембраносвязанные органеллы, подобные неодушевленным компонентам, таким как эндоплазматическая сеть или аппарат Гольджи.

Но растущая волна научных данных о функциях и динамике митохондрий говорит об обратном. митохондрии — это не просто органеллы, а собственные формы жизни.

Это различие между «жизнью», с одной стороны, и «просто мембранной структурой», с другой, может показаться тривиальным, но это симптом более глубокой проблемы. Определение митохондрий как «неживых» — это не просто классификационная ошибка и не вопрос выбора слова. Скорее, это фундаментальное непонимание природы и роли митохондрий. Это по своей сути подрывает наше понимание биологических систем и глубоко влияет на инструменты, которые мы создаем для их изучения.

Если мы будем думать о митохондриях как о неживых органеллах, как мы сможем полностью использовать их потенциал?

Точное определение «жизни» обсуждается с момента зарождения биологии как научной области. Даже сегодня исследователи предлагают частично совпадающие, но разные критерии. Молекулярные биологи склонны сосредотачиваться на таких характеристиках, как метаболизм, рост и развитие, реакция на раздражители, размножение и способность обрабатывать информацию или развиваться. В этом определении используются «контрольные списки», позволяющие определить, является ли организм живым.

Биофизики часто придерживаются более строгого подхода, определяя жизнь с помощью энергетических терминов. Физики Эрвин Шрёдингер и Илья Пригожин заявили, что живые организмы поддерживают порядок, несмотря на тенденцию Вселенной к увеличению энтропии, которая является мерой того, насколько рассеяна или неупорядочена энергия внутри системы. Живые системы поддерживают состояния, далекие от равновесия, постоянно обмениваясь веществом и энергией с окружающей средой для поддержания высокоорганизованных структур. Клетки воспринимают входные данные с низкой энтропией, такие как пища или солнечный свет, и удаляют продукты с высокой энтропией, включая отходы.

Независимо от того, какое определение вы выберете, митохондрии явно живы.

Митохондрии несут свои собственные геномы и экспрессируют свои собственные гены в своих просветах, внутреннем кармане водянистого пространства, используя биомолекулы, отличные от ядра клетки. Митохондрии также реплицируются и делятся посредством бинарного деления, как и бактерии. Если рассматривать бактерии как живые существа (а, похоже, так считают все биологи), то невозможно объяснить, почему митохондрии таковыми не являются.

С термодинамической точки зрения митохондрии поглощают низкоэнтропийные ресурсы от клетки-хозяина, такие как глюкоза или жирные кислоты, и выбрасывают высокоэнтропийные продукты, включая углекислый газ и воду. Митохондрии также выкачивают протоны через свою внутреннюю мембрану, чтобы поддерживать неравновесный термодинамический баланс, используя полученный градиент для производства молекул АТФ, которые поддерживают клеточные функции, от репликации ДНК до синтеза белка.

С точки зрения молекулярного биолога, роль митохондрий не ограничивается простым производством энергии. Митохондрии также перерабатывают информацию и взаимодействуют с окружающей средой, подобно человеческой клетке. Они контролируют стероидные гормоны, окислительный стресс, жару, уровни АТФ, вторичные метаболиты и еще много молекул плавающие в окружающей среде, в цитоплазме клетки. Митохондрии затем используют эту информацию для точного управления клеточными функциями. Например, когда вирус проникает в клетку, митохондрии имеют решающее значение для обнаружения вторжения и подачи сигнала клетке-хозяину о необходимости пройти запрограммированную клеточную смерть, чтобы остановить ее распространение.

И, наконец, митохондрии растут и размножаются способом, отличным от процесса репликации хозяина. Митохондрии независимо копируют свои кольцевые геномы, известные как митохондриальная ДНК, и делятся посредством бинарного деления. Примечательно, что репликация митохондрий имеет несколько свойств, отличных от тех, которые наблюдаются при репликации клеток человека. Митохондриальная ДНК мутирует в 100–1000 раз быстрее, чем геном человека, и эти мутации могут значительно изменить приспособленность митохондрии, тем самым изменяя приспособленность ее клетки-хозяина. Таким образом, митохондрии являются агентами и субъектами сил эволюции.

Несмотря на все эти доказательства, основной аргумент против того, что митохондрии живы, заключается в том, что они не выполняют всех этих функций. независимопоскольку для функционирования они должны быть встроены в цитоплазму клетки-хозяина. Однако такой аргумент логически непоследователен, поскольку по той же логике большинство организмов на Земле не могут считаться «живыми». Ведь ничто в биологии не живет изолированно от окружающей среды.

Человеческая жизнь начинается внутри другого человека, когда зиготе требуется много месяцев в матке, чтобы превратиться в младенца. Многие другие организмы — не только митохондрии — также живут внутри других клеток. Например, бактерии риккетсии занимают цитоплазму клеток клещей, вшей, блох и клещей. Другие бактерии, такие как Голоспора виды.также живут в ядрах различных протистов. Все живые существа эволюционировали и живут в окружающей среде или биологической системе, причем разные организмы встроены в разные слои.

Похоже, что ученые решили, что такое жизнь, исходя из того, существует или нет организм в определенных, произвольно выбранных слоях нашей биосферы. Но это логическая ошибка. Каждый живой организм растет и адаптируется, занимая определенный контекст во Вселенной. Мы называем это «эффективной нишей» формы жизни, которая может находиться как внутри, так и снаружи другой живой системы. Тот факт, что организм приспособился жить в одной нише, не означает, что он не может выжить в другой. Поэтому так называемая «потенциальная ниша» формы жизни часто намного больше, чем ее эффективная ниша.

Рассмотрим, например, что свободноживущие бактерии были искусственно имплантированы в цитоплазму различных грибов. Исследователи из ETH Zurich недавно имплантирован «бактерии в нитчатый гриб Ризопус микроспорус проследить за судьбой искусственно вызванных эндосимбиозов». Понятно, что внедрение бактерий в другие клетки не делает эти бактерии внезапно неживыми.

Точно так же эффективной нишей митохондрии является цитоплазма клетки-хозяина, но ее потенциальная ниша, вероятно, намного больше. Митохондрии не связаны с клеткой-хозяином; они могут путешествовать между разными клетками. Хотя разные виды несут разные митохондрии, эксперименты показывают, что митохондрии одного вида могут передаваться другому.

В 1997 году учёные выделили митохондрии у шимпанзе и горилл и показали, что они естественным образом усваиваются и интегрируются. в клетки человека. Примечательно, что добавление внешних митохондрий даже показало терапевтические преимущества в сердечная недостаточность и травма спинного мозга. Таким образом, потенциальная ниша, в которой могут жить митохондрии, больше, чем их эффективная ниша.

Когда Маргулис боролся за то, чтобы опровергнуть широко распространенные идеи в эволюционной биологии, это позволило биологам понять, как сложность возникает в биологических системах с появлением эукариот и появлением многоклеточности. Пересмотрев наше понимание митохондрий, мы аналогичным образом разрушим устоявшиеся научные догмы.

В начале 19 века Альберт Эйнштейн и Клод Шеннон сформулировали три столпа физического мира: материю, информацию и энергию. Когда Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубликовали свою модель двойной спирали ДНК, они произвели сдвиг парадигмы в нашей способности понимать и контролировать первые две: материю и информацию. За прошедшие с тех пор 70 лет мы разработали мощные инструменты для изучения генов, расшифровки того, как информация движется через клетки, и манипулирования ДНК с помощью таких инструментов, как редактирование генов на основе CRISPR. Однако мы еще не достигли равного уровня понимания биологических процессов или инструментов для манипулирования ими. энергия. Подобно тому, как CRISPR позволил ученым переписать код жизни, нам нужны аналогичные инструменты для конструирования митохондрий и контроля биоэнергетики на эукариотическом древе жизни.

Несмотря на более чем миллиард лет эволюции, митохондрии по-прежнему играют решающую роль в клетках; они не были вытеснены или устарели. Это означает, что по мере эволюции человека менялась и роль митохондрий в формировании нашего здоровья и долголетия. Митохондриальная дисфункция уже давно связана с сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом, болезнью Альцгеймера, Паркинсона, боковым амиотрофическим склерозом и другими возрастными заболеваниями. У пациентов с этими заболеваниями митохондрии приобретают аномальную и фрагментированную морфологию, не способны производить достаточно энергии для клеток или посылают неправильные коммуникационные сигналы. Больные митохондрии постепенно вырабатывают токсичные соединения, ускоряющие гибель клеток.

Возможно, один из путей решения энергетических заболеваний, увеличения продолжительности жизни или даже инженерных процессов, таких как фотосинтез, лежит в сложном взаимодействии между нашими клетками и другими формами жизни, так активно населяющими их. Чтобы это выяснить, давайте примем эти многолетние союзы.

Благодарим Кейт Адамалу, Зено Фокса, Майкла Ретчина, Нико Маккарти и Эда Бойдена за полезные отзывы об этом эссе.

Лиам Читаят — научный сотрудник Hertz и аспирант Массачусетского технологического института, работающий над синтетическим эндосимбиозом и разрабатывающий инициативу по интеграции и ускорению этой области. Лиям также является членом Совета по стратегическим рискам.

Цитировать: Лиам Читаят. «Митохондрии живы» Азимов Пресс (2024). DOI: https://doi.org/10.62211/38pe-75hu