I mitocondri sono le centrali elettriche della cellula. E per i mitocondri, proprio come per i motori a doppia testata impilati insieme in un treno a vapore, lavorare in multipli ha i suoi vantaggi.

Una nuova ricerca della Washington University di St. Louis mostra che quando le cellule si dividono rapidamente, i loro mitocondri sono fusi insieme. In questa configurazione, la cellula è in grado di utilizzare in modo più efficiente l'ossigeno per produrre energia. I mitocondri fusi producono anche un sottoprodotto biochimico, aspartato, questa è la chiave per la divisione cellulare.

Questo lavoro dei ricercatori del laboratorio di Gary Patti, il Professore Associato di Chimica nelle Arti e nelle Scienze di Michael e Tana Powell, è stato riportato in una recente pubblicazione sulla rivista eLife. Illumina il funzionamento interno delle cellule in divisione e mostra come i mitocondri si combinano per aiutare le cellule a moltiplicarsi in modi inaspettati.

Dato che è noto che le cellule cancerose si dividono a un ritmo vertiginoso, le nuove scoperte potrebbero avere implicazioni per la diagnosi e il trattamento del cancro.

"La maggior parte degli studi sulle cellule proliferanti sono condotti nel contesto del cancro, dove gli scienziati confrontano un tessuto canceroso in rapida crescita con il tessuto normale che circonda il tumore o un tessuto normale di un paziente diverso, " disse Conghui Yao, un dottorato di ricerca candidato nel laboratorio di Patti alla Washington University e primo autore del nuovo studio. "Questo tipo di confronti è fisiologicamente rilevante ma presenta alcuni svantaggi.

"Un tumore è una cosa molto complicata, non solo perché è costituito da diversi tipi di cellule, ma anche perché l'ambiente di un tumore è diverso da quello di un tessuto sano, " lei ha aggiunto.

Per esempio, un tumore ha bisogno di nutrienti per crescere, ma non ha l'infrastruttura dei vasi sanguigni che in genere fornisce altri tessuti sani nel corpo. Di conseguenza, i tumori sono spesso affamati di ossigeno.

Ma anche in presenza di abbondante ossigeno, le cellule cancerose ottengono energia attraverso un processo di fermentazione relativamente inefficiente. Invece di usare l'ossigeno per bruciare il glucosio nei loro mitocondri per ottenere il loro succo, le cellule tumorali utilizzano un processo di "glicolisi aerobica" che trasforma il loro glucosio in lattato. Questo processo è chiamato effetto Warburg.

Sebbene il fenomeno sia stato osservato nelle cellule in rapida divisione per più di 90 anni, gli scienziati ancora non lo capiscono appieno. La prima delle spiegazioni suggeriva che i mitocondri nelle cellule tumorali sono danneggiati in un modo che impedisce loro di produrre energia normalmente.

Yao conosceva bene l'effetto Warburg e le sue implicazioni. Quindi, quando ha messo a punto un sistema sperimentale che le ha permesso di attivare e disattivare la divisione cellulare, fu sorpresa di vedere che le sue cellule in divisione consumavano molto ossigeno.

"Gran parte della letteratura aveva suggerito che le cellule in divisione avrebbero fatto il contrario, " ha detto Yao. "Quindi abbiamo esaminato non solo il motivo per cui le nostre cellule in divisione consumavano più ossigeno, ma anche come sono stati in grado di consumare più ossigeno".

Parte della bellezza dell'esperimento iniziale di Yao era la sua semplicità:era in grado di misurare il metabolismo in un tipo specifico di cellula in due condizioni distinte:quando la cellula si stava dividendo e quando non si stava dividendo. È anche così che è stata in grado di perfezionare il particolare cambiamento strutturale dei mitocondri che stava guidando le efficienze che ha osservato.

"Le cellule in divisione avevano la stessa quantità di mitocondri per proteina o per massa, rispetto alle cellule non in divisione, "disse Patti, la cui ricerca è focalizzata sulle reazioni biochimiche che sono alla base del metabolismo. "Ma abbiamo notato quando abbiamo ripreso i mitocondri in queste cellule in divisione che sono significativamente più lunghi".

Più a lungo perché alcuni mitocondri adiacenti si erano fusi in uno, creando molteplici, mitocondri adiacenti in più grandi, più efficiente, macchine per la produzione di energia.

L'altra cosa notevole che i "mega-mitocondri" sono particolarmente bravi a creare, Yao ha scoperto, è una molecola chiamata aspartato che è essenziale per la replicazione delle cellule.

"Il recente lavoro di altri laboratori ci ha insegnato che uno dei motivi più importanti per cui le cellule in divisione devono consumare ossigeno è produrre aspartato. Quindi per noi aveva senso che la fusione mitocondriale nelle cellule in divisione aumentasse la produzione di aspartato, "ha detto Yao.

Yao e Patti non sono i primi ad osservare la fusione mitocondriale. Ma sono tra i primi a interrogare la fusione mitocondriale con sofisticate tecnologie metabolomiche, consentendo una comprensione a livello molecolare del processo in relazione alla divisione cellulare. Le alterazioni biochimiche che hanno osservato possono rappresentare processi che possono essere presi di mira nelle cellule tumorali maligne.

"Si afferma spesso che le cellule tumorali che si dividono rapidamente aumentano la fermentazione a spese della diminuzione del consumo di ossigeno per l'attività mitocondriale, " Patti ha detto. "I nostri risultati suggeriscono che almeno alcune cellule in rapida divisione aumentano entrambi i processi in condizioni normali di ossigenazione.

"Poiché l'utilizzo dei nutrienti mediante la rapida divisione delle cellule cancerose è la base per vari farmaci e test diagnostici, questi risultati possono avere un importante significato clinico e possono rappresentare una vulnerabilità metabolica nel cancro, " ha aggiunto Patti.