Un proiect de cercetare analizează diversitatea mitocondriilor în diferite forme de viață
Un consorțiu de cercetare a realizat cea mai amplă analiză de până acum a proteinelor care compun mitocondriile, surprinzând diversitatea acestui organit în diverse ramuri ale vieții complexe.
Cu contribuții semnificative din partea oamenilor de știință de la Broad Institute, precum și a platformei de proteomică, consorțiul a generat și analizat proteomele mitocondriale ale unei plante și ale cinci patogeni unicelulari care afectează anual milioane de oameni la nivel global. Rezultatele lor dezvăluie funcții noi neașteptate ale organitului, indicii cu privire la originea sa și rolul în evoluția organismelor cu celule complexe, cunoscute sub numele de eucariote, și posibile ținte pentru noi medicamente în tratamentul bolilor tropicale neglijate.
Proiectul MitoCarta Tree of Life a fost condus de cercetători de la Broad Institute, Mass General Brigham, Harvard Medical School, Harvard T.H. Chan School of Public Health și Boston University Henry M. Goldman School of Dental Medicine. Descoperirile lor apar în nouă lucrări științifice și un articol de comentariu în Cell și reviste conexe.
„Cu acest consorțiu, am reorientat tot ce am învățat în ultimii 15 ani despre caracterizarea mitoproteomului mamiferelor pentru a construi rapid și diligent aceste inventare, creând o resursă fundamentală pentru un nou domeniu de biologie mitocondrială comparativă”, a declarat Vamsi Mootha.
Au trecut două miliarde de ani de la momentul în care o celulă gazdă antică a înglobat o bacterie care a devenit ulterior mitocondrionul, „centrala energetică” a celulelor eucariote. Majoritatea ADN-ului bacterian a ajuns în genomul nuclear al celulei gazdă, cu o fracțiune rămânând ca un mic genom mitocondrial. Pe măsură ce organismele unicelulare și multicelulare au evoluat de-a lungul timpului, compoziția și funcția organelului s-au schimbat pentru a se adapta nevoilor fiecărui organism.
În 2008, o echipă condusă de Broad a anunțat MitoCarta, primul inventar cuprinzător al celor 1.100 de proteine mitocondriale ale mamiferelor, care a fost ulterior folosit pentru a descoperi genele care stau la baza unor afecțiuni precum bolile metabolice și neurodegenerarea. Cu toate acestea, cercetătorii știau că pot învăța și mai multe despre organelă comparând-o între diferite forme de viață și explorând nu doar originile sale, ci și modul în care ar putea fi vizată în patogeni pentru a trata infecțiile.
În 2022, cu sprijinul HHMI Emerging Pathogens Initiative, Mootha și colegii săi au construit un consorțiu format din șapte laboratoare, cu 25 de cercetători, pentru a produce mitoproteome ale organismelor ce se extind pe întreaga filieră a vieții, concentrându-se pe planta model Arabidopsis și cinci paraziți care cauzează boli umane.
Cercetătorii au utilizat cele mai noi tehnologii avansate de spectrometrie de masă de la Broad Institute pentru a determina care gene nucleare codifică proteinele care ajung în mitocondriile fiecărui organism. „Viteza și amploarea acestui proiect nu ar fi fost posibile fără expertiza platformei în tehnologia proteomică de ultimă generație”, a menționat Namrata Udeshi.
În cadrul unei lucrări conduse de Michael Chen, student MD-PhD la Harvard, cercetătorii au comparat datele despre aceste șase organisme cu inventarele existente pentru om și drojdii. Au descoperit numeroase proteine mitocondriale în mai mulți patogeni care lipsesc din mitocondriile umane, reprezentând ținte potențiale pentru noi medicamente în tratamentul bolilor tropicale.
Cercetătorii au folosit, de asemenea, noile date pentru a explora o veche enigmă științifică cu privire la momentul în care au apărut mitocondriile în evoluția eucariotelor. Folosind noile date pentru a recalibra un instrument bazat pe învățare automată și a prezice mitoproteomele pentru sute de specii netestate, oamenii de știință au reconstruit cronologia apariției diverselor organite. Analiza lor susține ideea că mitocondriile au apărut relativ târziu, după ce ancestralul eucariot dezvolta deja alte părți complexe.
Celelalte lucrări s-au concentrat pe analize ale organismelor individuale. Într-un studiu, echipa a catalogat mașinăria mitocondrială a Giardia, care provoacă o boală diareică, conținând doar 59 de proteine și lipsită de capacități energetice, făcând-o mai mult un „mitocondrion rămășiță” care contestă viziunea îngustă a organelului ca simplă centrală energetică.
Într-un alt studiu, au dezvoltat metode noi pentru a studia mitocondriile Babesia, un patogen transmis prin căpușe care provoacă o boală similară malariei și care se răspândește în New England din cauza schimbărilor climatice. Aceste metode ar putea funcționa și pentru patogeni înrudiți, cum ar fi cei care cauzează malaria și toxoplasmoza.
În analiza mitoproteomului Acanthamoeba, un organism care poate provoca orbire la purtătorii de lentile de contact, au observat cea mai complicată mașinărie energetică dintre toate organismele. Experimentele conduse de Jon Stefely au arătat că mitocondriile sale sunt capabile să se comute între respirația aerobă și anaerobă în funcție de condițiile de oxigen, reflectând o posibilă adaptare antică la fluctuațiile de oxigen din mediul său primordial.
De asemenea, echipa a studiat planta de bătaie Arabidopsis, care este un organism model de vârf și utilizează energie nu doar din cloroplaste, ci și din mitocondrii. În timp ce lucrările anterioare au ajutat la definirea proteomului mitocondrial al plantei, acest nou inventar pare a fi cel mai cuprinzător și precis, generat folosind o abordare care ar putea funcționa probabil și pentru alte plante.
O analiză a Leishmania și Trypanosoma a relevat proteome mitocondriale masive care sunt cu 50% mai mari decât cele ale oamenilor și care conțin proteine unice pentru aceste clase de paraziți.
„Acest proiect este un pas în efortul științific mai amplu de a folosi diversitatea existentă pe Pământ ca un punct de plecare pentru a răspunde la una dintre cele mai profunde întrebări: Cum a evoluat viața complexă pe planeta noastră?”, a spus Sarah Calvo.
În plus, mai mult de jumătate dintre proteinele din aceste cataloage au funcții necunoscute, astfel că viitoarele studii ar putea dezvălui și mai multe indicii despre ceea ce face viața umană, precum și pe cea a tuturor organismelor complexe de pe Pământ, posibilă.
