Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort en överraskande upptäckt som kan hjälpa till att förklara vår risk för att utveckla kroniska sjukdomar eller cancer när vi blir äldre, och hur vår mat sönderfaller över tid.

Vad mer, deras fynd, som nyligen rapporterades i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), pekar på ett oväntat samband mellan ozonkemin i vår atmosfär och våra cellers fasta förmåga att avvärja sjukdomar.

"Det fina med naturen är att den ofta bestämmer sig för att använda liknande kemi i ett system, men vi trodde aldrig att vi skulle hitta en gemensam koppling mellan atmosfärisk kemi, och kemin i våra kroppar och mat, sa Kevin Wilson, biträdande direktören för Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper som ledde studien. "Vår studie är den första som utforskar en annan kemisk väg som kan påverka hur väl cellerna i våra kroppar - och till och med vår mat - kan svara på oxidativ stress, som föroreningar, över tid."

Våra kroppar och några av våra favoriträtter, inklusive kött, nötter, och avokado, har mycket gemensamt:De är gjorda av organiska molekyler, som omättade lipider, som är viktiga byggstenar för cellväggar.

Omättade lipider och andra organiska molekyler, som kolhydrater och protein, bryts långsamt ned över tiden på grund av en kedjereaktion – känd som autooxidation – som startas av syre och hydroxylradikaler, en typ av reaktiva syreämnen. Hydroxylradikaler attackerar smygande de omättade lipiderna i våra kroppar och vår mat, göra den färskaste avokado brun, till exempel.

Skador på våra kroppar från hydroxylradikaler, dock, är mer förödande än en oxiderad avokado. När vi åldras, årtionden av exponering för hydroxylradikaler och andra reaktiva syrearter försvagar sakta men säkert vår kropps omättade lipider. Sådana irreversibla skador ökar oxidativ stress och sannolikheten för att utveckla cancer och åldersrelaterade kroniska sjukdomar som Alzheimers.

En oväntad länk

I årtionden, forskare trodde att hydroxylradikaler fungerade ensamma när de angriper omättade lipider.

Men Wilson och hans forskargrupp fann att hydroxylradikaler har en överraskande partner i brott - och det går under namnet "Criegee intermediate."

Criegee-mellanprodukter är mycket reaktiva, exotiska molekyler som först föreslogs av kemisten Rudolf Criegee 1975 för att förklara hur föroreningar som släpps ut från bilar och fabriker reagerar med ozonskiktet i vår atmosfär.

Så 2015, årtionden efter Criegees banbrytande upptäckt, Wilson och medförfattaren Nadja Heine blev förvånade över att observera en kemisk art som kallas "sekundära ozonider" - molekyler som innehåller kol, väte, och syre - under en hydroxylreaktion med omättade lipider vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS). (Heine var postdoktor vid Berkeley Labs Chemical Sciences Division vid tidpunkten för studien.)

Det som förbryllade forskarna är att sekundära ozonider vanligtvis inte är associerade med omättade lipider; snarare, de är produkter av en Criegee-mellanreaktion med atmosfäriska aldehyder, som är organiska föreningar som härrör från alkoholer.

"Vi undrade, fungerar Criegee-intermediärer med hydroxyl vid nedbrytningen av de omättade lipiderna i mat, plast, och cellerna i våra kroppar?" sa Wilson.

Går på rensningsjakt

Eftersom Criegee-mellanprodukter har en flyktig tillvaro, det är svårt att observera dem direkt. Så forskarna använde en elimineringsprocess för att nollställa dem.

Huvudförfattare Meirong Zeng, en postdoktor vid Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper, använde en teknik som kallas masspektroskopi vid ALS för att belysa lipidnanodropparna under ultraviolett ljus. ALS är en DOE-finansierad synkrotronanläggning som levererar röntgenstrålar, ultraviolett, och infrarött ljus för att stödja dussintals samtidiga experiment för att utforska den mikroskopiska strukturen och kemiska sammansättningen av prover inom ett brett spektrum av vetenskapliga discipliner.

När hon lade till "rengörande" alkoholmolekyler kända för att endast reagera med Criegee-mellanprodukter till lipidnanodroppar, hon observerade att lipidernas nedbrytningshastighet påtagligt saktade ner - en konsekvens av rensarmolekylernas reaktivitet med Criegee-mellanprodukterna och därmed gjorde dem inerta, sa Zeng.

De fann också att när Criegee-mellanprodukterna hade inaktiverats av asätarens molekyler, reaktionen gav produkter liknande peroxid, och det släppte inte ut sekundära ozonider, sa Zeng.

Forskarna tror att dessa resultat ger bevis på en ny lipidnedbrytningsväg där lipidhungrig hydroxyl genererar Criegee-mellanprodukter, som sedan föder en ny sats hydroxyl; den nybildade hydroxylen skickar iväg en ny generation av Criegee-mellanprodukter; och cykeln fortsätter och fortsätter.

"Detta förvånade oss eftersom hydroxylradikaler var kända för att orsaka oxidativ skada på celler, men det som inte var känt innan vår studie är att hydroxyl gör detta via bildandet av Criegee-mellanprodukter, " tillade Wilson.

Sedan kroniska sjukdomar, cancer, och matförstöring har kopplats till cellskador orsakade av hydroxylradikaler, forskarna tror att Criegee-mellanprodukter också kan spela en liknande roll i den molekylära nedbrytningen som gör oss sårbara för sjukdomar när vi åldras, och det gör att maten förmultnar.

En ny väg för antioxidanter

Upptäckten kan lägga grunden för en ny klass av antioxidanter - från vitaminer till naturliga matkonserveringsmedel, Zeng lade till.

"Det är en spännande upptäckt. Detta gav oss en fullständigare bild av mekanismerna bakom cellulär nedbrytning och sjukdom som var helt oväntad, " Hon sa.

"Att slutföra detta arbete tog år av hårt arbete av Nadja och Meirong, och den avancerade ljuskällans unika förmåga att undersöka komplex kemi, " sa Wilson. "Vi hoppas att resultaten från vår studie kommer att inspirera forskare att ytterligare utforska biokemin hos Criegee-intermediärer, lipider, och antioxidanter, som behövs för att hjälpa människor på ett antal sätt:från att förebygga sjukdomar till att bevara mat."

Forskarna planerar sedan att arbeta med teoretiker vid Berkeley Lab för att studera kvantegenskaperna, såsom den elektroniska strukturen, på spel i Criegees intermediära/hydroxylreaktion för att bättre bedöma hur denna cykel kan fungera i mänskliga celler, mat, och i material som innehåller omättade lipider såsom plaster och bränslen.