UCLA-bio-ingenieurs en hun collega's hebben een nieuw perspectief ontdekt over hoe cellen de grootte van mitochondriën reguleren, de delen van cellen die energie leveren, door ze in kleinere eenheden te snijden.

De onderzoekers schreven dat deze bevinding, aangetoond met gisteiwitten, zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt om menselijke ziekten aan te pakken die verband houden met een onevenwichtige regulering van de mitochondria-grootte, bijvoorbeeld Ziekte van Alzheimer of Parkinson. In aanvulling, omdat het hebben van te kleine of te grote mitochondriën mogelijk kan leiden tot ongeneeslijke ziekten, het is denkbaar dat de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor dit proces potentiële doelwitten zijn voor toekomstige therapieën.

De studie is gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap en werd geleid door UCLA bio-ingenieursprofessor Gerard Wong.

Binnen in de cel, mitochondriën lijken op de lange ballonnen die worden gebruikt om ballondieren te maken. Als de mitochondriën te lang zijn, ze kunnen verstrikt raken. Het is bekend dat hun grootte voornamelijk wordt gereguleerd door twee eiwitten, waarvan er één langere mitochondriën opsplitst in kleinere maten. Ze staan ​​bekend als de "krachtpatsers" van cellen, omdat ze chemische energie uit voedsel omzetten in een vorm die nuttig is voor cellen om al hun functies uit te voeren.

Het houden van mitochondriën op optimale grootte is belangrijk voor de gezondheid van cellen. Een onvoldoende hoeveelheid van het regulerende eiwit, bekend als Dnm1, waardoor de mitochondriën te lang en verward worden. Te veel Dnm1 resulteert in te veel korte mitochondriën. In beide gevallen, de mitochondriën worden in wezen ondoeltreffend gemaakt als energieleveranciers voor de cel. Deze situatie kan leiden tot neurologische ontwikkelingsstoornissen of neurodegeneratieve ziekten, zoals Alzheimer of Parkinson.

Om dit mechanisme beter te begrijpen, de onderzoekers gebruikten een machinale leerbenadering die ze in 2016 ontwikkelden om erachter te komen hoe de eiwitten precies één mitrochondrion opsplitsen in twee kleinere. Ze gebruikten ook een krachtige techniek genaamd "synchrotron small-angle X-ray scattering" bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, een onderzoeksfaciliteit van het Amerikaanse ministerie van Energie, om te zien hoe deze eiwitten tijdens dit proces mitochondriale membranen vervormen.

Voorafgaand aan deze studie, men dacht dat deze eiwitten de mitochondriën omcirkelden, snijd het dan in twee door er gewoon stevig in te knijpen. Het proces, het team ontdekte, is subtieler.

"Wanneer Dnm1 zich om mitochondriën wikkelt, het is eerder aangetoond dat het eiwit fysiek aanspant en knijpt, " zei Michelle Lee, een recente UCLA-doctoraat in bio-engineering die werd geadviseerd door Wong en een van de twee hoofdauteurs van de studie is. "Wat we ontdekten is dat wanneer Dnm1 in contact komt met het mitochondriale oppervlak, het maakt ook dat deel van het mitochondrion zelf beter kneedbaar en gemakkelijker te splitsen. Deze twee effecten werken hand in hand om het proces van mitochondriale deling efficiënt te maken."

De andere hoofdauteur is Ernest Lee, een afgestudeerde student in het UCLA-Caltech Medical Scientist Training Program en een afgestudeerde bio-ingenieursstudent die ook wordt geadviseerd door Wong. Hij voerde de computationele analyses uit voor het experiment.

"Met behulp van onze machine-learning tool, we waren in staat om verborgen membraan-remodelleringsactiviteit te ontdekken in Dnm1, consistent met onze röntgenonderzoeken, " zei Lee. "Interessant, door verre verwanten van Dnm1 te analyseren we ontdekten dat het eiwit dit vermogen in de loop van de tijd geleidelijk ontwikkelde."

"Dit is een zeer onverwacht resultaat - niemand had gedacht dat deze moleculen een gespleten persoonlijkheid zouden hebben, met beide persoonlijkheden die nodig zijn voor de biologische functie, " zei Wong, die ook UCLA-hoogleraar chemie en biochemie is en lid is van het California NanoSystems Institute. "Het multifunctionele gedrag dat we hebben geïdentificeerd, is misschien eerder regel dan uitzondering voor eiwitten."