«Странная» загадка малярии, которая десятилетиями ставила исследователей в тупик.
Внутри малярийных паразитов крошечные кристаллы железа вращаются, как ракеты, что выявляет скрытую уязвимость, которую ученые могут использовать.
В каждой клетке малярийного паразита Plasmodium falciparum находится небольшой отсек, заполненный микроскопическими кристаллами железа. Пока паразит жив, эти кристаллы постоянно находятся в движении. Они вращаются, сталкиваются и отскакивают внутри своего замкнутого пространства, двигаясь настолько быстро и непредсказуемо, что обычные научные инструменты с трудом могут измерить их. Когда паразит умирает, движение резко прекращается.
В течение многих лет эти кристаллы железа были ключевой мишенью для противомалярийных препаратов, однако причина их движения оставалась неясной.
«Люди не говорят о том, чего не понимают, и поскольку движение этих кристаллов настолько загадочно и необычно, оно десятилетиями оставалось слепой зоной для паразитологии», — говорит Пол Сигала, доктор философии, доцент кафедры биохимии в Медицинской школе Спенсера Фокса Экклса (SFESOM) при Университете Юты.
Сигала и его коллеги обнаружили источник этого движения. Кристаллы приводятся в движение тем же типом химической реакции, которая используется для запуска ракет в космос.
Это открытие может указать на новые способы борьбы с малярийным паразитом, а также может послужить основой для будущих разработок миниатюрных машин, работающих в наномасштабе. Результаты были опубликованы в журнале PNAS.
Биологическое ракетное топливо
Исследователи обнаружили, что кристаллы, состоящие из железосодержащего соединения, называемого гемом, движутся за счет химической реакции, которая расщепляет перекись водорода на воду и кислород. Эта реакция высвобождает энергию, обеспечивая силу, которая приводит кристаллы в движение и поддерживает их вращение.
Это распространенный в аэрокосмической технике метод движения, где перекись водорода используется в качестве топлива для запуска спутников на орбиту, но ранее неизвестный в биологии. «Разложение перекиси водорода использовалось для питания крупномасштабных ракет», — говорит Эрика Хастингс, доктор философии, научный сотрудник в области биохимии в SFESOM. «Но я не думаю, что это когда-либо наблюдалось в биологических системах».
Перекись водорода содержится в больших количествах внутри микроскопического отсека, содержащего кристаллы железа, а паразиты производят это соединение в качестве побочного продукта, поэтому она показалась исследователям потенциальным химическим топливом, способным обеспечить движение кристаллов. Действительно, ученые обнаружили, что одной перекиси водорода достаточно, чтобы привести очищенные кристаллы во вращение — без участия паразитов.
Движение кристаллов может способствовать выживанию паразита
Исследователи предполагают, что бешеное движение кристаллов может быть важным фактором выживания малярийных паразитов, и у них есть несколько идей, почему. Сама перекись водорода чрезвычайно токсична для клеток. Вращающиеся кристаллы могут быть способом для малярийного организма «сжечь» избыток токсичной перекиси водорода, прежде чем она сможет вызвать вредные химические реакции и повредить паразита.
Сигала добавляет, что вращательное движение также может помочь паразиту быстро справиться с избытком гема, предотвращая слипание кристаллов. Слипшиеся кристаллы препятствовали бы быстрому накоплению паразитом дополнительного гема, поскольку у них было бы меньше доступной поверхности для добавления нового гема. Поддерживая кристаллы в постоянном движении, малярийный паразит может обеспечить эффективное накопление дополнительного гема.
Создание новых роботов и новых лекарств
Вращающиеся кристаллы — это первый известный в биологии пример самодвижущейся металлической наночастицы, говорят исследователи. Но они предполагают, что это явление гораздо более распространено.
Новые результаты могут вдохновить на усовершенствование конструкции микроскопических роботов, добавляют исследователи.
«Нанотехнологичные самодвижущиеся частицы могут быть использованы в различных промышленных целях и для доставки лекарств, и мы считаем, что эти результаты могут дать ценные результаты», — говорит Сигала.
