Митохондрии на страже человеческой жизни

Группа исследователей из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова в рамках программы развития МГУ и сотрудничества с Российским научным фондом разработала уникальную методику, благодаря которой в биологической практике впервые появилась возможность селективно исследовать перенос электронов между белковыми комплексами в живой митохондрии неразрушающими методами анализа.

Митохондрия — важнейшая внутриклеточная органелла, которую часто называют энергетической станцией клетки. В ней синтезируется АТФ — универсальное «топливо» организма, а ключевую роль в этом энергоснабжении играет перенос электронов между специальными белковыми комплексами, важнейший из которых носит название цитохром С.

Митохондрии привлекают огромное внимание ученых еще и тем, что эта органелла содержит в себе митохондриальную ДНК — носитель генетической информации, которая передается по материнской линии из поколения в поколение. С этой точки зрения митохондрии крайне интересны и генетикам разных направлений и, главное, медикам, которые заняты изучением наследственных, как правило, трудноизлечимых заболеваний.

По словам одного из основных авторов статьи, Надежды Браже, кандидата биологических наук с кафедры биофизики биологического факультета МГУ, сегодня в мире разработано множество методов исследования митохондрий, однако даже самые продвинутые и хитроумные из них не дают полного представления о том, что происходит между митохондриальными мембранами и с самим цитохромом С при переносе электронов.

Очень перспективным в этом смысле представляется метод так называемой гигантской или поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (англ. SERS — surface-enhanced Raman Spectroscopy или спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния), который и применили ученые из МГУ.

Этот метод уже давно и активно используется в разного рода физических и химических экспериментах. Где-то с середины-конца 1990-х годов XX века этим методом заинтересовались биологи и медики, занимающиеся изучением свойств и строением молекул в составе живых клеток. Существует, как известно, два вида рассеяния — релеевское, или упругое, при котором фотон отскакивает от препятствия, как мячик, не меняя своей частоты, и рамановское (комбинационное), или неупругое, при котором фотон при соударении с молекулой меняет ее энергетическое состояние. В результате этого он меняет и свою частоту и уносит в пространство некую толику информации о строении ударенной им молекулы, информации, которую в принципе можно извлечь для дальнейшего изучения.

Физики быстро научились специальными спектрометрами разделять рамановские фотоны от релеевских, но беда в том, что такие неупругие столкновения происходят нечасто, на несколько порядков реже упругих, релеевских столкновений, в результате чего комбинационное рассеяние оказывается очень слабым и во многих случаях обладает настолько низкой интенсивностью, что его нельзя зарегистрировать.

Проблема разрешилась, когда в 1974 году был открыт эффект, при котором рамановские фотоны, рассеянные исследуемым объектом, находящимся вблизи наноструктурированной металлической поверхности, чудесным образом «усиливались» в миллиарды раз. До конца причины этого явления не выяснены, но считается, что здесь работают плазмоны — квазичастицы, представляющие собой осцилляции поверхностных электронов относительно положительно заряженных ядер металла наноструктуры. При совпадении собственной частоты плазмона и рамановского фотона возникает резонанс, который и позволяет сделать видимым почти невидимое. На основе этого эффекта вскоре появилась и соответствующая спектроскопия — SERS.

Биологи, занимающиеся исследованиями свойств биомакромолекул, быстро поняли, что такая спектроскопия может стать многообещающим способом извлекать информацию о структуре и работе молекул внутри живых органелл или клеток, не разрушая их. И с середины нулевых годов этого века начали довольно активно пытаться эту методику использовать, однако до сих пор эти попытки особых успехов не приносили. Причин для неуспеха было более чем достаточно, но главные, по словам Надежды Браже, имели отношение к наноповерхностям, приводящим к гигантскому рамановскому рассеянию: из тысяч появившихся к тому времени вариантов одни не подходили для создания резонанса на нужных частотах, другие оказывались для митохондрий токсичными или сами быстро деградировали при помещении в физиологические жидкости. «Ключевым моментом нашего достижения стал междисциплинарный подход к работе, в которую были вовлечены биологи, химики и физики. Это и привело к созданию уникальных наноструктурированных поверхностей и нового методического подхода в изучении митохондрий. Успех был бы невозможен без наших коллег с факультета наук о материалах МГУ, — говорит Надежда Браже, — Молодые сотрудницы и магистрантки факультета после долгих и тщательных поисков нашли нужную и нетоксичную наноструктуру, что и позволило нам успешно провести работу».

Поиски путей решения проблемы, как с точки зрения биологии, так и нанохимии и материаловедения на обоих факультетах действительно были долгими, они длились несколько лет и простотой вовсе не отличались. Порой тот или иной успех казался исследователям чудом, правда, обыкновенным чудом, которое можно научно обосновать, после чего из тысяч выбрать один-единственный вариант.

В результате после всех этих сложностей все получилось на удивление просто: на серебряную наноструктурированную поверхность уникальной наноструктуры помещали разбавленную суспензию митохондрий, облучали ее слабым лазерным пучком, а далее анализировали полученные спектры SERS. Оказалось, что при такой постановке эксперимента происходило многократное усиление комбинационного рассеяния только от молекул цитохрома С, благодаря чему можно было детально исследовать изменения, происходящие в его структуре при переносе электронов и синтезе АТФ. С помощью различных веществ транспорт электронов и синтез АТФ в митохондриях то запускали, то останавливали, что хорошо отражалось в регистрируемых спектрах.

В ходе описанного исследования никаких эпохальных открытий вроде бы сделано не было. Однако фундаментально было сделано другое — получен новый метод, позволяющий эти открытия совершать. Этот метод предложен городу и миру, но Браже с коллегами тоже намерены воспользоваться своим творением.

«В качестве следующего шага хотим заняться исследованием митохондрий, выделенных из сердечных и скелетных мышц у крыс при заболеваниях сердечно-сосудистой системы и сахарном диабете. Мы надеемся, что полученные результаты позволят в дальнейшем разработать методику диагностики патологий на начальном этапе развития болезни, что позволит начинать лечение заболеваний раньше и эффективнее», — резюмировала Надежда Браже.