Είναι ο Ενεργειακός Μεταβολισμός Ομοιογενής Μέσα σε Ένα Κύτταρο;
Ο ενεργειακός μεταβολισμός είναι η βασική ομάδα χημικών αντιδράσεων που παράγει την ενέργεια που διατηρεί τα κύτταρα μας ζωντανά. Αλλά αυτό δεν είναι μόνο ο ενεργειακός μεταβολισμός! Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι ελέγχει πολλές άλλες κυτταρικές διεργασίες, όπως φλεγμονή και ανοσία, διαφοροποίηση βλαστοκυττάρων και κυτταρικό θάνατο.
Οι περισσότερες από αυτές τις μελέτες που καταδεικνύουν νέους ρόλους για τον ενεργειακό μεταβολισμό χρησιμοποίησαν μια βασική τεχνική για την παρακολούθηση μεταβολικών αλλαγών:τη μέτρηση της κατανάλωσης μιτοχονδριακού οξυγόνου. Δεδομένου ότι τα μιτοχόνδρια λειτουργούν ως μπαταρίες του κυττάρου, τα τροφοδοτούν και η κατανάλωση οξυγόνου είναι ανάλογη με τη μιτοχονδριακή δραστηριότητα, η μέτρηση της κατανάλωσης οξυγόνου είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να κατανοήσουμε τον ενεργειακό μεταβολισμό. Η κατανάλωση οξυγόνου είναι ένας αξιόπιστος και ποσοτικός τρόπος παρακολούθησης των μεταβολικών απαιτήσεων, των εκροών και της χωρητικότητας του κυττάρου.
Τυπικά, η κατανάλωση οξυγόνου μετράται σε ιστούς, ομογενοποιήματα ή κυτταροκαλλιέργειες χρησιμοποιώντας ηλεκτροχημικά ηλεκτρόδια ευαίσθητα στο οξυγόνο. Αυτό λειτουργεί καλά, αλλά δίνει μια ιδέα μόνο για τη μέση κατανάλωση οξυγόνου ολόκληρου του δείγματος. Αποφασίσαμε να ρωτήσουμε εάν ο ενεργειακός μεταβολισμός θα μπορούσε να είναι διαφορετικός από κύτταρο σε κύτταρο στην ίδια καλλιέργεια ή ακόμα και σε διαφορετικά μέρη του ίδιου κυττάρου. Για να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση, έπρεπε να αναπτύξουμε ένα πολύ μικρό ηλεκτρόδιο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει μικρές διαφορές στη συγκέντρωση οξυγόνου κοντά σε μεμονωμένα κύτταρα κατά την αναπνοή.
Για να γίνει αυτό, δημιουργήσαμε μια συνεργασία μεταξύ ενός εργαστηρίου που μελετά τον ενεργειακό μεταβολισμό (Dr. Kowaltowski) και ενός εργαστηρίου που αναπτύσσει νέες ηλεκτροχημικές τεχνικές (Dr. Bertotti). Μια διδακτορική φοιτήτρια (Carla Santana Santos) γεφύρωσε το χάσμα μεταξύ των δύο πολύ διαφορετικών ερευνητικών γραμμών και κατασκεύασε μικροηλεκτρόδια προσαρμοσμένα σε ένα σύστημα σάρωσης:Ηλεκτροχημική Μικροσκοπία Σάρωσης.
Σε αυτή την τεχνική, ένα μικροηλεκτρόδιο πολωμένο σε ένα κατάλληλο δυναμικό λειτουργεί ως ανιχνευτής για τη διερεύνηση της ηλεκτροχημικής δραστηριότητας μιας επιφάνειας με υψηλή χωρική ανάλυση (στο εύρος των μικρομέτρων). Η τοποθέτηση αυτού του ανιχνευτή σε κοντινή απόσταση από το δείγμα που μελετήθηκε μας επιτρέπει να συλλέξουμε πληροφορίες για ηλεκτροχημικές διεργασίες ή ροές ουσιών που συμβαίνουν στην επιφάνεια. Στην περίπτωσή μας, η επιφάνεια που ερευνήθηκε ήταν μια κυψέλη και μετακινώντας το μικροηλεκτρόδιο πάνω από την κυψέλη, προέκυψε ένας χάρτης συγκέντρωσης οξυγόνου σε ένα επίπεδο κυψέλης. Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά, ικανά να δείξουν πώς συμπεριφέρεται η κατανάλωση οξυγόνου στις διάφορες περιοχές του κυττάρου.
Με αυτήν την τεχνική, μπορέσαμε να δούμε ότι το πρότυπο κατανάλωσης οξυγόνου του κυττάρου απέχει πολύ από το να είναι ομοιογενές. Αναμενόμενα, η περιοχή του πυρήνα του κυττάρου έχει χαμηλή κατανάλωση οξυγόνου, αφού δεν υπάρχουν μιτοχόνδρια στον πυρήνα. Παραδόξως, ωστόσο, οι άκρες των κυψελών, στις οποίες το πάχος των κυψελών είναι χαμηλότερο και θα περιμέναμε λιγότερη κατανάλωση οξυγόνου, είχαν απροσδόκητα υψηλά επίπεδα κατανάλωσης οξυγόνου. Αυτό μπορεί να υποδεικνύει ότι τα μιτοχόνδρια σε αυτήν την περιοχή του κυττάρου είναι διαφορετικά, αν και δεν γνωρίζουμε ακόμα γιατί και ποιες είναι οι συνέπειες αυτών των διαφορών. Η ύπαρξη αυτής της νέας τεχνικής, χρήσιμης για τη μέτρηση της κατανάλωσης οξυγόνου σε υποκυτταρικό επίπεδο, σίγουρα θα ανοίξει νέες δυνατότητες και θα αποκαλύψει πολλά ακόμα εκπληκτικά ευρήματα σχετικά με τον ενεργειακό μεταβολισμό.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Single Cell Oxygen Mapping (SCOM) by Scanning Electrochemical Microscopy Uncovers Heterogeneous Intracellular Oxygen Consumption, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Scientific Reports . Επικεφαλής αυτού του έργου ήταν οι Mauro Bertotti, Carla Santana Santos και Alicia J. Kowaltowski από το Universidade de São Paulo.
