Каждая клетка смертоносного паразита Plasmodium falciparum, вызывающего малярию, содержит крошечное пространство, заполненное микроскопическими кристаллами железа. Пока паразит жив, кристаллы танцуют: они вращаются, дёргаются и рикошетят в своём маленьком пузырьке, как монеты в перегруженной стиральной машине, — слишком быстро и хаотично, чтобы их можно было отследить традиционными научными методами. А когда паразит умирает, они останавливаются.
Кристаллы железа давно стали важной мишенью для противомалярийных препаратов, но их движение озадачивало учёных с момента их первого обнаружения. «Люди не говорят о том, чего не понимают, а поскольку движение этих кристаллов настолько загадочно и необычно, это было слепым пятном для паразитологии на протяжении десятилетий», — говорит Пол Сигала, доктор философии, доцент кафедры биохимии в Школе медицины Спенсера Фокса Экклза (SFESOM) при Университете Юты.
Теперь исследовательская группа Сигалы наконец-то выяснила, что заставляет кристаллы танцевать: та же химическая реакция, которая приводит в действие космические ракеты. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Кристаллы, состоящие из соединения на основе железа, называемого гемом, движутся, запуская процесс распада перекиси водорода на воду и кислород, обнаружили исследователи. Реакция высвобождает энергию, придавая кристаллам «толчок», необходимый для приведения их в движение.
Это форма движения, распространённая в аэрокосмической технике, где перекись водорода запускает спутники на орбиту, но ранее неизвестная в биологии. «Разложение перекиси водорода использовалось для приведения в действие крупномасштабных ракет», — говорит Эрика Хастингс, доктор философии, научный сотрудник кафедры биохимии в SFESOM. «Но я не думаю, что это когда-либо наблюдалось в биологических системах».
Перекись водорода содержится в высоких концентрациях в микроскопическом пространстве, где находятся кристаллы железа, и паразиты вырабатывают это соединение в качестве побочного продукта. Это привлекло внимание исследователей как потенциальное химическое топливо, которое может приводить в движение кристаллы. Действительно, учёные обнаружили, что одной перекиси водорода было достаточно, чтобы заставить очищенные кристаллы вращаться — паразит при этом не требовался.
И наоборот, когда исследователи выращивали паразитов малярии при необычно низком уровне кислорода, что снижает количество вырабатываемой паразитами перекиси, кристаллы замедлялись примерно наполовину по сравнению с их нормальной скоростью, хотя паразиты в остальном были здоровы.
Исследователи подозревают, что бешеное движение кристаллов может быть важным для выживания малярийных паразитов, и у них есть несколько идей, почему. Сама по себе перекись водорода чрезвычайно токсична для клеток. Вращающиеся кристаллы могут быть способом для малярийного организма «сжигать» избыток токсичной перекиси водорода до того, как она вызовет вредные химические реакции и повредит паразиту.
Сигала добавляет, что вращательное движение также может помочь паразиту быстро избавиться от избытка гема, предотвращая слипание кристаллов. Слипшиеся кристаллы помешали бы паразиту быстро накапливать дополнительный гем, поскольку у них было бы меньше доступной поверхности для добавления нового гема. Поддерживая постоянное движение кристаллов, малярийный паразит может обеспечить себе возможность эффективно накапливать дополнительный гем.
Вращающиеся кристаллы — первый известный в биологии пример самодвижущихся металлических наночастиц, говорят исследователи. Но они подозревают, что это явление гораздо более распространено.
Новые открытия могут вдохновить на улучшение конструкции микроскопических роботов, добавляют исследователи. «Наноинженерные самодвижущиеся частицы могут использоваться для различных промышленных целей и доставки лекарств, и мы думаем, что из этих результатов можно извлечь ценную информацию», — говорит Сигала.
Результаты также могут в конечном итоге привести к созданию более эффективных противомалярийных препаратов, говорят исследователи. «Мы думаем, что распад перекиси водорода, вероятно, вносит важный вклад в снижение клеточного стресса», — говорит Сигала. «Если есть способы блокировать химические реакции на поверхности кристалла, этого может быть достаточно, чтобы убить паразитов».
Их крошечные химические ракеты сильно отличаются от любого известного аспекта человеческой биологии — а это значит, что они являются мощной потенциальной мишенью для лекарств. Препараты, нацеленные на такой уникальный для паразита механизм, гораздо реже имеют опасные побочные эффекты.
«Если мы нацелим препарат на область, которая сильно отличается от клеток человека, то, вероятно, у него не будет экстремальных побочных эффектов», — объясняет Хастингс. «Если мы сможем определить, чем этот паразит отличается от нашего организма, это даст нам доступ к новым направлениям в разработке лекарств».
Предоставлено Университетом здравоохранения штата Юта.