Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een verrassende ontdekking gedaan die ons risico op het ontwikkelen van chronische ziekten of kankers naarmate we ouder worden, kan helpen verklaren. en hoe ons voedsel in de loop van de tijd uiteenvalt.

Bovendien, hun bevindingen, die onlangs werden gemeld in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), wijzen op een onverwacht verband tussen de ozonchemie in onze atmosfeer en het vastbekabelde vermogen van onze cellen om ziekten af ​​te weren.

"Het mooie van de natuur is dat ze vaak besluit om soortgelijke chemicaliën in een systeem te gebruiken, maar we hadden nooit gedacht dat we een gemeenschappelijk verband zouden vinden tussen atmosferische chemie, en de chemie van ons lichaam en voedsel, " zei Kevin Wilson, de adjunct-directeur van Berkeley Lab's Chemical Sciences Division die het onderzoek leidde. "Onze studie is de eerste die een andere chemische route onderzoekt die van invloed kan zijn op hoe goed de cellen in ons lichaam - en zelfs ons voedsel - kunnen reageren op oxidatieve stress, zoals vervuiling, overuren."

Ons lichaam en sommige van onze favoriete voedingsmiddelen, inclusief vlees, noten, en avocado's, hebben veel gemeen:ze zijn gemaakt van organische moleculen, zoals onverzadigde lipiden, die belangrijke bouwstenen zijn voor celwanden.

Onverzadigde lipiden en andere organische moleculen, zoals koolhydraten en eiwitten, degradeert langzaam in de loop van de tijd vanwege een kettingreactie - bekend als auto-oxidatie - afgetrapt door zuurstof- en hydroxylradicalen, een soort reactieve zuurstofspecies. Hydroxylradicalen vallen sluipend de onverzadigde lipiden in ons lichaam en ons voedsel aan, de meest verse avocado's bruin maken, bijvoorbeeld.

De schade aan ons lichaam door hydroxylradicalen, echter, is verwoestender dan een geoxideerde avocado. Terwijl we ouder worden, decennia van blootstelling aan hydroxylradicalen en andere reactieve zuurstofsoorten verzwakken langzaam maar zeker de onverzadigde lipiden van ons lichaam. Dergelijke onomkeerbare schade verhoogt de oxidatieve stress en de kans op het ontwikkelen van kanker en leeftijdsgebonden chronische ziekten zoals de ziekte van Alzheimer.

Een onverwachte link

Al decenia, wetenschappers geloofden dat hydroxylradicalen alleen werkten wanneer ze onverzadigde lipiden aanvallen.

Maar Wilson en zijn onderzoeksteam ontdekten dat hydroxylradicalen een verrassende partner in misdaad hebben - en het heet 'Criegee intermediate'.

Criegee-tussenproducten zijn zeer reactief, exotische moleculen die voor het eerst werden voorgesteld door chemicus Rudolf Criegee in 1975 om uit te leggen hoe vervuilende stoffen die door auto's en fabrieken worden uitgestoten, reageren met de ozonlaag in onze atmosfeer.

Dus anno 2015 decennia na de baanbrekende ontdekking van Criegee, Wilson en co-auteur Nadja Heine waren verrast om een ​​chemische soort te observeren die 'secundaire ozoniden' wordt genoemd - moleculen die koolstof, waterstof, en zuurstof - tijdens een hydroxylreactie met onverzadigde lipiden bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS). (Heine was ten tijde van het onderzoek een postdoctoraal onderzoeker in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab.)

Wat de onderzoekers verbijsterde, is dat secundaire ozoniden niet typisch geassocieerd worden met onverzadigde lipiden; liever, het zijn producten van een Criegee-tussenreactie met atmosferische aldehyden, dat zijn organische verbindingen die zijn afgeleid van alcoholen.

"We vroegen ons af, werken Criegee-tussenproducten met hydroxyl bij de afbraak van de onverzadigde lipiden in voedsel, plastic, en de cellen in ons lichaam?" zei Wilson.

Op speurtocht gaan

Omdat Criegee-tussenproducten een vluchtig bestaan ​​hebben, het is moeilijk om ze direct te observeren. Dus gebruikten de onderzoekers een eliminatieproces om ze op te sporen.

Hoofdauteur Meirong Zeng, een postdoctoraal onderzoeker in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab, gebruikte een techniek genaamd massaspectroscopie bij de ALS om de lipide nanodruppeltjes onder ultraviolet licht te verlichten. De ALS is een door DOE gefinancierde synchrotronfaciliteit die bundels röntgenstraling levert, ultraviolet, en infrarood licht ter ondersteuning van tientallen gelijktijdige experimenten om de microscopische structuur en chemische samenstelling van monsters in een breed scala van wetenschappelijke disciplines te onderzoeken.

Toen ze "scavenger" alcoholmoleculen toevoegde waarvan bekend is dat ze alleen reageren met Criegee-tussenproducten aan de lipide nanodruppels, ze merkte op dat de afbraaksnelheid van de lipiden opvallend vertraagde - een gevolg van de reactiviteit van de aasetermoleculen met de Criegee-tussenproducten, waardoor ze inert werden, zei Zeng.

Ze ontdekten ook dat zodra de Criegee-tussenproducten waren uitgeschakeld door de aasetermoleculen, de reactie leverde producten op die lijken op peroxide, en het gaf geen secundaire ozoniden af, zei Zeng.

De onderzoekers zijn van mening dat deze resultaten bewijs leveren van een nieuwe lipide-afbraakroute waarbij lipide-hongerige hydroxyl Criegee-tussenproducten genereert, die vervolgens een nieuwe partij hydroxyl voortbrengen; het nieuw gevormde hydroxyl zendt een nieuwe generatie Criegee-tussenproducten uit; en de cyclus gaat maar door.

"Dit verraste ons omdat bekend was dat hydroxylradicalen oxidatieve schade aan cellen veroorzaken, maar wat voor onze studie niet bekend was, is dat hydroxyl dit doet via de vorming van Criegee-tussenproducten, ' voegde Wilson eraan toe.

Sinds chronische ziekten, kanker, en voedselbederf zijn in verband gebracht met celbeschadiging veroorzaakt door hydroxylradicalen, de onderzoekers zijn van mening dat Criegee-tussenproducten ook een vergelijkbare rol kunnen spelen in de moleculaire afbraak die ons kwetsbaar maakt voor ziekten naarmate we ouder worden, en dat zorgt ervoor dat voedsel bederft.

Een nieuwe weg voor antioxidanten

De ontdekking zou de basis kunnen leggen voor een nieuwe klasse antioxidanten - van vitamines tot natuurlijke conserveermiddelen, Zeng toegevoegd.

"Het is een opwindende ontdekking. Dit gaf ons een vollediger beeld van de mechanismen achter cellulaire afbraak en ziekte die volledig onverwacht was, " ze zei.

"Om dit werk te voltooien, hebben Nadja en Meirong jaren hard gewerkt, en de unieke mogelijkheden van de geavanceerde lichtbron om complexe chemie te onderzoeken, Wilson zei. "We hopen dat de resultaten van onze studie onderzoekers zullen inspireren om de biochemie van Criegee-tussenproducten verder te onderzoeken, lipiden, en antioxidanten, die nodig zijn om mensen op verschillende manieren te helpen:van het voorkomen van ziekten tot het bewaren van voedsel."

De onderzoekers zijn van plan om samen te werken met theoretici van Berkeley Lab om de kwantumeigenschappen te bestuderen, zoals de elektronische structuur, spelen in de Criegee intermediaire/hydroxylreactie om beter te kunnen beoordelen hoe deze cyclus zou kunnen werken in menselijke cellen, voedsel, en in materialen die onverzadigde lipiden bevatten, zoals kunststoffen en brandstoffen.