研究人员使用超分辨率显微镜发现线粒体的类似电池的功能

加州大学欧文分校和宾夕法尼亚大学的研究人员使用新型超分辨率显微镜，首次观察到从细胞中分离出的线粒体内部的充电和放电功能。

线粒体是细胞内的一种结构，它利用有氧呼吸产生三磷酸腺苷，这是一种有机化合物，为活组织中的许多过程提供能量。医学和生物医学工程研究人员认识到线粒体在人类健康和疾病中的重要性，寻求对线粒体有更深入的了解。

虽然过去的许多研究项目都研究了活细胞内这些成分的物理特性，但加州大学尔湾分校领导的项目是第一个使用超分辨率显微镜来研究活体细胞外线粒体的项目。通过这种方式观察不同代谢状态下线粒体膜的变化，研究人员能够见证这些活细胞器的电生理功能。该团队的研究成果发表在《ACSNano》杂志上。

“当我们第一次开始研究分离的线粒体时，根据东京都老年学研究所和加州大学洛杉矶分校的一些工作，我们知道它们的行为就像电池，但我们无法在细胞内很好地控制它们来探测它们，”合著者说PeterBurke，UCI电气工程和计算机科学教授。“现在我们可以控制每个单独的电气元件并使其充电和放电。”

他说，新一代超分辨率显微镜使这项工作成为可能。团队成员在他们的研究中使用了所有三种主要方法——艾里显微镜、受激发射损耗显微镜和晶格结构照明显微镜。

这使他们能够检查嵴，即线粒体内尺寸约为100纳米的重复蛇形结构。伯克说，可见光的最短波长是紫光，约为380纳米，因此他们需要强大的仪器——超分辨率显微镜——来探测小于该尺寸三分之一的物体的电压分布。

“想象一下，你试图研究特斯拉电池组的工作原理，但你只能通过驾驶汽车来做到这一点，”他说。“你不会对车内的电池组了解太多。”

通过将线粒体从细胞中取出并保持其活性，伯克和他的合作者(

主要作者、UCI生物医学工程研究生研究员ChiaHungLee和宾夕法尼亚大学的道格拉斯·华莱士)能够对它们进行充电和放电。

伯克说：“我们可以详细观察每个单独的部件作为单个电池的表现，就像无人机和汽车中的电池组(由许多较小的电池组成)如何单独组合起来为车辆供电。”“有趣的是，我们发现电池在充电和放电时会自行重新排列，这是普通电池所没有的功能。”

他指出，他的实验证明了研究人员在研究冷冻(死亡)线粒体快照时长期以来的想法：内部结构会根据细胞的代谢需求而发生变化。线粒体可以根据需要创建和销毁其“电池”(嵴)。这表明，与无人机和特斯拉不同，线粒体可以根据细胞需要多少能量来改变其内部形状。

伯克说，这项工作可能在人类健康方面有广泛的应用，包括研究人类如何在细胞水平上衰老。

他说：“一旦我们了解了它们如何产生能量，我们就可以开始想办法改变它，以改善人类的健康和寿命。”

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