UCLA bioingenjörer och deras kollegor har upptäckt ett nytt perspektiv på hur celler reglerar storleken på mitokondrier, de delar av celler som ger energi, genom att skära dem i mindre enheter.

Forskarna skrev att detta fynd, visat med jästproteiner, skulle så småningom kunna användas för att hjälpa till att ta itu med mänskliga sjukdomar förknippade med en obalanserad reglering av mitokondriernas storlek – till exempel, Alzheimers eller Parkinsons sjukdomar. Dessutom, eftersom mitokondrier som är för små eller för stora potentiellt kan leda till obotliga sjukdomar, Det är tänkbart att de proteiner som är ansvariga för denna process kan vara potentiella mål för framtida terapier.

Studien publicerades i ACS Central Science och leddes av UCLA -professor i bioingenjör Gerard Wong.

Inne i cellen, mitokondrier liknar de långa ballongerna som används för att skapa ballongdjur. Om mitokondrierna är för långa, de kan trassla in sig. Deras storlekar är kända för att främst regleras av två proteiner, varav en bryter upp längre mitokondrier i mindre storlekar. De är kända som cellernas "kraftverk" eftersom de omvandlar kemisk energi från mat till en form som är användbar för celler att utföra alla sina funktioner.

Att hålla mitokondrier i optimala storlekar är viktigt för cellernas hälsa. En otillräcklig mängd av det reglerande proteinet, känd som Dnm1, resulterar i att mitokondrierna blir för långa och trassliga. För mycket Dnm1 resulterar i för många korta mitokondrier. I båda fallen, mitokondrierna görs i huvudsak ineffektiva som energileverantörer för cellen. Denna situation kan leda till neurodevelopmental störningar eller neurodegenerativa sjukdomar, som Alzheimers eller Parkinsons.

För att bättre förstå denna mekanism, forskarna använde en maskininlärningsmetod som de utvecklade 2016 för att ta reda på exakt hur proteinerna bryter upp en mitrokondrion i två mindre. De använde också en kraftfull teknik som kallas "synkrotron liten vinkel röntgenspridning" vid Stanford Synchrotron strålningsljuskälla, en forskningsanläggning vid det amerikanska energidepartementet, för att se hur dessa proteiner deformerar mitokondriella membran under denna process.

Före denna studie, man trodde att dessa proteiner omringade mitokondrierna, skär den sedan i två delar genom att helt enkelt klämma hårt. Processen, laget upptäckte, är mer subtil.

"När Dnm1 lindar mitokondrier, det har tidigare visat sig att proteinet fysiskt stramar och klämmer, sa Michelle Lee, en nyligen doktorand i bioteknik vid UCLA som fick råd av Wong och är en av två huvudförfattare till studien. "Vad vi fann är att när Dnm1 kommer i kontakt med mitokondriernas yta, det gör också det området av mitokondriet i sig mer formbart och lättare att genomgå klyvning. Dessa två effekter arbetar hand i hand för att göra processen med mitokondriell division effektiv."

Den andra huvudförfattaren är Ernest Lee, en doktorand i UCLA-Caltech Medical Scientist Training Program och en bioingenjörsstudent som också rådgivits av Wong. Han utförde beräkningsanalyser för experimentet.

"Med vårt maskininlärningsverktyg, vi kunde upptäcka dold membranombyggnadsaktivitet i Dnm1, överensstämmer med våra röntgenstudier, " sa Lee. "Intressant nog, genom att analysera avlägsna släktingar till Dnm1, vi fann att proteinet gradvis utvecklade denna förmåga med tiden."

"Detta är ett mycket oväntat resultat - ingen trodde att dessa molekyler skulle ha en delad personlighet, med båda personligheter som är nödvändiga för den biologiska funktionen, sa Wong, som också är UCLA-professor i kemi och biokemi och är medlem i California NanoSystems Institute. "Det multifunktionella beteendet vi identifierade kan vara regeln snarare än undantaget för proteiner."