Новости химической науки > Спектроскопия КР изучает митохондрию

Группа исследователей из МГУ разработала уникальный метод, позволяющий селективно изучать цепочки переноса электронов в живой митохондрии, применяя при этом недеструктивный анализ.

Митохондрия представляет собой двумембранный сферический или эллипсоидный органоид диаметром обычно около 1 мкм. Митохондрии встречаются в большинстве эукариотических клеток, как автотрофов, так и гетеротрофов. Это энергетическая станция клетки; основная её функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза АТФ и термогенеза. Эти три процесса осуществляются за счёт движения электронов по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны, наиболее важным белком в этой электрической цепи является цитохром С.

Митохондрии представляют собой особый интерес для исследователей, так как эти органоиды содержат митохондриальные ДНК, обеспечивающие наследственность по материнской линии. Благодаря этому обстоятельству митохондрии представляют собой интересный объект исследования для , в частности – изучающих генетически наследуемые заболевания.

Как отмечает Надежда Браже (Nadezda Brazhe), существует много методов изучения митохондрий, но даже те из них, в которых применяются наиболее сложные и эффективные подходы, не могут снабдить исследователей детальной информацией о процессах, протекающих внутри митохондриальных мембран в ходе переноса электронов.

Рисунок из Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep13793

Исследователи из МГУ предложили новый и многообещающий подход к изучению митохондрий и их электронной цепи, основанный на применении поверхностно-усиленной спектроскопии комбинационного рассеивания [surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)]. За последнее десятилетие этот аналитический метод стал популярен в изучении свойств молекул, образующихся как в пробирке, так и внутри живых клеток.

Существует два типа рассеивания света – Релеевское и Рамановское. Релеевское (эластичное) светорассеяние не влияет на состояние фотона, отражающегося от поверхности (частота этого фотона не меняется). В ходе Рамановского (неэластичного) рассеивания фотоны взаимодействуют с молекулами, изменяя свою энергию и, следовательно, частоту волны отраженной электромагнитной волны. Изменение частоты отраженного излучения может дать определенную информацию о строении изучаемой молекулы, которая может быть полезна для исследователей.

Физикам удалось разработать метод, позволяющий отделять фотоны, образующиеся в результате рамановского и релеевского светорассеивания с помощью спектрометров специальной конструкции, однако неэластичные столкновения происходят крайне редко. По этой причине рамановское рассеивание отличается меньшей интенсивностью, и его очень сложно детектировать.

Эту проблему удалось решить в 1974 году, когда было обнаружено необычное явление – при сближении объекта, рассеивающего рамановские фотоны, с поверхностью металлической наноструктуры рассеивание интенсифицируется в миллиарды раз. Детальная природа этого феномена не выяснена до настоящего времени, однако исследователи предполагают, что за такое усиление отвечают плазмоны – квазичастицы, соответствующие колебаниям поверхностных электронов, ассоциированным с положительно заряженными ядрами наноструктурированного металла. Если частоты плазмона и рамановского фотона коалесцируют, наблюдается резонанс, позволяющий сделать видимыми практически недетектируемые сигналы. Плазмонный эффект стал основой нового типа спектроскопии – спектроскопии – SERS.

Биологи, изучающие биомакромолекулы, поняли, что этот тип спектроскопии может оказаться удобным и неинвазивным для изучения функций веществ в живых органоидах или клетках. Несмотря на неоднократные попытки исследователей реализовать такой подход на практике, далеко не все случаи применения SERS в биологических исследованиях оказывались успешными.

Работа исследователей из МГУ продолжалась несколько лет, оказавшись не самой простой задачей для биологов и нанохимиков. Иногда полученный результат казался чудом, но это чудо нужно было объяснить с научной точки зрения. В конечном итоге было найдено на удивление простое решение – разбавленный образец, содержащий митохондрии, размещался на поверхности наноструктурированного серебра, лазерное излучение фокусировали на агрегированные на наноструктурах митохондрии, и цитохром С в живой митохондрии изучали с помощью SERS. Это позволило исследователям увидеть в деталях изменения, протекающие с цитохромом С в процессах переноса электронов и синтеза АТФ.

Казалось, в ходе работы не было сделано эпохальных открытий, однако исследователи разработали метод, который впоследствии может позволить значительно изменить наши представления о живых системах, а пока Надежда Браже и ее коллеги продолжают свою работу.

Источник: Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep13793

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #молекулярная биология, #нанотехнологии