Omstridt opdagelse: Cellens mitokondrier er 50 grader varme
 26. januar 2018
Ny opdagelse kan betyde, at årtiers biokemiske målinger skal genvurderes, og det kan føje en helt ny dimension til forståelsen af celler. »Hvis det er rigtigt er det sensationelt,« siger forsker
Af Rasmus Kragh Jakobsen
Et internationalt forskerhold er snublet over en cellebiologisk opdagelse, der betegnes som radikal og kan vælte årtiers oparbejdet viden om cellens biokemiske processer.
Hvis de altså har ret.
»Det her er sensationelt, hvis det er rigtigt,« siger ekspert i respirationsfysiologi ved Aarhus Universitet, lektor Hans Malte, der ikke selv har deltaget i forskningen.
Med en ny, smart type molekylære termometre har forskerne undersøgt temperaturen indeni cellens små kraftværker - mitokondrierne.
Mitokondrierne står for energiproduktionen i alle celler, og i mennesker har man altid regnet med, at de arbejdede ved samme temperatur som kroppen, nemlig 37°C.
»Til vores store overraskelse opdagede vi, at temperaturen var meget høj, i omegnen af 50°C,« skriver Pierre Rustin, som står bag opdagelsen, i en email til Videnskab.dk.
De små kraftværker er med andre ord cirka 10°C varmere end det omgivende væv, og det burde ikke kunne lade sig gøre, fordi biologisk væv leder varmen så godt.
Den nye opdagelse er netop publiceret i det videnskabelige tidsskrift PLoS Biology.
Forskerkollegaer er skeptiske
Den nye opdagelse vækker både begejstring og skepsis blandt andre forskere.
Over så ekstremt kort afstand som i en celle eller et mitokondrie burde, der ikke kunne opstå store forskelle i temperatur - forskellen på 10°C er ifølge Hans Malte 10.000-100.000 gange større, end det er fysisk muligt.
»Men de har gjort sig alle mulige anstrengelser og viser det på mange forskellige måder, så jeg kan ikke bevise, at det er forkert. Men man kan ikke opbygge så store temperaturforskelle over så små afstande i levende væv. Det kan ikke lade sig gøre.«
Det samme siger professor i dyrefysiologi Tobias Wang ved Aarhus Universitet til Videnskab.dk.
»Jeg må sige, at jeg tror ikke på det, men hvis det her er rigtigt, så er det mega, mega spændende. Det har potentialet til at være en fantastisk vigtig artikel,« siger Tobias Wang, der ikke har deltaget i forskningen.
»Det betyder, at alle de målinger, vi har lavet på enzymreaktioner i mitokondrier, potentielt er forkerte, fordi man altid har lavet dem i en 37°C suspension.«
Det er velkendt, at raterne af såkaldte enzymatiske reaktioner stiger 2 til 3 gange, hver gang temperaturen øges 10 grader.
Det betyder, at de kemiske reaktioner går mindst dobbelt så hurtigt, som man har regnet med.
Så alt, hvad forskerne ved om, hvor meget de enkelte enzymer og reaktionsveje bidrager til cellens arbejde, kan være grundlæggende forkert.
Mitokondrier virker som en slags radiator
»Udover mitokondriernes høje temperatur ser det ud til, at en vigtig konklusion må være, at der findes temperaturgradienter inden i cellerne,« skriver Pierre Rustin, der er ph.d. og forskningsleder ved Centre National de la Recherche Scientifique i Paris, videre i emailen.
Forskerne kan altså have opdaget en helt ny dimension til cellen, hvor man f.eks. kunne forestille sig mitokondrier som en slags radiatorer, som kan mobiliseres til at speede biokemiske reaktioner op i én del af cellen.
Hvis de har ret.
»Det er vigtigt, fordi sådan en gradient vil påvirke adskillige (alle?) reaktioner inden i cellerne og mellem cellerne, afhængig af mitokondriernes aktivitet, antal og placering,« forklarer Pierre Rustin.
Giver ny dimension til cellen
»Det er jo skægt at tænke på, at man i gamle dage så på cellen som en membran, der omsluttede alt muligt snask - der var en cytosol [cellevæske, -red.] og nogle organeller, som slaskede løst rundt som tøj i en tørretumbler,« siger Tobias Wang.
Siden fandt man, at cellens indre er organiseret efter funktioner, lidt ligesom en krop med organer som mave, lever, nyre, tarme osv., og man har fundet store forskelle i organellernes indhold af ioner, proteiner, pH mm.
»Hver gang, man får nye målemetoder, bliver forskellene større, og nu kommer de så og siger, at temperaturen også er forskellig,« siger Tobias Wang.
»Det er jo nok det sidste, man havde troet. Men dengang man snakkede om cytosolet, var det også vildt kontroversielt, så hvis vi har lært noget af videnskabshistorien, må det være at forholde os åbne.«
Målte på mitokondrierne med molekylært termometer
Mitokondrierne står for det sidste trin i forbrændingen af den mad, vi spiser, hvor de med en proces kaldet respiration opbygger kemisk energi i form af et molekyle kaldet ATP.
ATP driver alverdens processer, lige fra hjerteslag til hjernens funktioner.
Man har længe vidst, at forbrændingen skaber den varme, som giver os en kropstemperatur på 37°C, men præcis hvor meget af energien i processen, der bliver til varme, ville forskerne gerne måle.
Det blev muligt med en ny opfindelse af et molekylært termometer. Det er kort fortalt et molekyle, som kan trænge ind i mitokondrierne og udsende lys (fluorescens) i forskellige bølgelængder, alt efter hvor høj temperaturen er. Dermed kan temperaturen aflæses i mikroskop som en farvekode.
Det har de så målt på mitokondrier i menneskeceller, der er dyrket ved 37°C i petriskåle, hvorved de har fundet de høje temperaturer.
»Det har taget tre fulde år at eliminere alle de fejlkilder, vi kunne tænke på, inden vi nu kan konkludere, at observationen er valid,« skriver Pierre Rustin.
»Jeg tror ikke på det«
Blandt de mange ting, de prøvede at teste, var, om ændringer i fluorescens kun skyldes pH, ion-koncentrationer eller elektrisk spænding.
Men lige meget, hvordan de vendte og drejede det, var kendsgerningen, at når mitokondrierne arbejdede og byggede ATP op, så steg temperaturen, men ligeså snart forskerne blokerede den proces, så faldt den igen.
»Jeg tror ikke på opdagelsen. Men det er jo svært at forklare, hvordan det kan være, at hver gang, der er energiproduktion og dermed en masse spildvarme fra ATP-produktionen, så bliver dannet en masse varme,« siger Hans Malte.
Hvad er temperatur på molekylært niveau?
Problemet er bare, at fundet simpelthen ikke passer med den forståelse, man har fra fysikken om varmetransport i væv.
Hvis man sætter en hånd på en 50°C varm kop, så varmes hånden hurtigt op og bliver varmere end 37°C, fordi væv primært er vand, som fordeler varmen fra koppen lynhurtigt.
Al erfaring viser med andre ord, at ens hånd bliver varmere, men i mitokondrierne ser det ud til, at de kan forblive varme uden at opvarme den omgivende celle.
Der bør derfor ikke kunne være en 10°C forskel over så lille afstand som et mitokondrie.
Men Hans Malte spekulerer på, om der er noget andet på spil, når man kommer helt ned i de molekylære dimensioner.
»I mitokondriernes indre er alting tæt pakket i en indre membran, som folder frem og tilbage, så alle de forskellige enzymer i processen nærmest er stablet oven på hinanden,« siger Hans Malte.
»I sådan et system er det meget vanskeligt at modellere temperaturen, for hvad er temperatur på det molekylære niveau?«
Måske aflæser termometeret noget andet
Temperatur er defineret som et statistisk gennemsnit af energien i mange molekylers bevægelser.
Da væv hovedsageligt består af vand, er det normalt vandmolekylernes bevægelser, som bestemmer temperaturen, men i den tætpakkede mitokondriemembran er der formentlig ikke plads til ret mange vandmolekyler.
Så måske er det en helt anden bevægelse, som det molekylære termometer måler på.
»Det fluorescerende stof, de bruger, sidder formentlig i forbindelse med de proteiner i den indre mitokondriemembran,« siger Hans Malte.
»Når energiproduktionen kører, bevæger de proteiner sig i forudbestemte mønstre som en motor og måske aflæser det fluorescerende molekyle i virkeligheden maskinen, der arbejder, som temperatur.«
Det brune fedt laver varme
Den påstand kan der være noget belæg for.
Det viser sig, at det molekylære termometer er mindre følsomt i brunt fedt.
Brunt fedt er specielt ved, at det kan køre hele forbrændingsprocessen uden at producere ATP og kun lave varme (det kan f.eks. hjælpe små gnavere med at holde kropstemperaturen oppe). Det gør fedtcellerne ved at koble det enzym fra, der producerer ATP.
Det betyder, at mitokondriernes varmeproduktion kører for fuld tryk, så termometeret burde vise en mindst ligeså høj temperatur som i almindeligt fedt; ikke en lavere temperatur, som det er tilfældet.
Det kunne tyde på, at det afkoblede ATP-enzym er den del af 'motoren', som normalt bevæger sig og så at sige snyder termometeret.
»Jeg tror, at det er et delvist artefakt (kunstigt fænomen, red.) uden at kunne bevise det. Og omvendt, hvis det var rigtigt, så ville det være sensationelt, og det er bestemt noget, man bliver nødt til at prøve at afklare,« siger Hans Malte.
En speeder på stofskiftet?
Pierre Rustin og kolleger viser desuden, at mitokondriernes enzymer ikke bare er stabile ved 50°C, men faktisk er mere effektive ved den temperatur, som om de er optimeret til en højere temperatur end resten af kroppen.
Hvorfor skulle naturen have fremelsket varme mitokondrier?
Tobias Wang peger på, at det f.eks. kunne være en smart måde at organisere cellen på.
Så kunne mitokondriernes enzymer arbejde hurtigere ved 50°C, mens resten blev ved 37°C, som måske er mere optimalt for andre proteinstrukturer.
»Vi kender ikke flercellet liv ved over 50°C. Når man kommer over den temperatur, begynder tingene at gå ned ad bakke,« siger Tobias Wang.
»Hvis du kan holde kroppen kold og køre mitokondrierne ved 50°C, ville du i princippet kunne lave dobbelt så meget ATP.«
Også han er enig i, at fænomenet bør undersøges nærmere.
Copyright © Rasmus Kragh Jakobsen og Videnskab.dk |
|
