Objev nové organely živočišných buněk

Čím větší složitost designu odkrýváme, tím méně se stává evoluce myslitelnou.

Jerry Bergman, PhD.

Z crev.info přeložil Pavel Akrman – 05/2023.

Harvardská lékařská fakulta v květnu 2023 oznámila objev nové buněčné organely.¹ To je po více než sto letech výzkumu buněčné biologie překvapení.

Co jsou organely?

Obrázek 1. Základní části eukaryotické buňky včetně známých organel. (Wiki Commons)

Organely jsou malé orgány v buňce. Jsou to membránou vázané struktury vykonávající specifické funkce ve všech eukaryotických buňkách, jak ukazuje obrázek 1. Po desetiletích výzkumu bez nových nálezů se mylně předpokládalo, že v eukaryotických buňkách byly objeveny všechny organely. Tento objev nové organely byl natolik významný, že článek v časopise Nature napsal: „Zdá se, že učebnice biologie se budou muset aktualizovat: výzkumníci právě objevili nový druh organely, drobnou orgánovou strukturu uvnitř buněk.“²

Co bylo objeveno?

Funkcí nové organely je bezpečně uchovávat fosfáty, aby byla zajištěna dostatečná zásoba buňky v době stresu. To je důležité, protože fosfátové živiny jsou nezbytné pro veškerý život a jejich vyčerpání může vést až ke smrti organismu. Pokud je ale fosfát v cytoplazmě v nadměrném množství, je velmi toxický. Z tohoto důvodu je důležité jeho bezpečně skladování v dostatečném množství ve vysokých koncentracích a poté v případě potřeby možnost jeho uvolnění.

Důkazem zásobovací funkce nové organely byla skutečnost, že když byly buňky mušky octomilky experimentálně zbaveny fosfátů, tyto nově objevené organely se „rozlomily a uvolnily do [cytoplazmy] každé buňky uložené fosfolipidy, což potvrzuje závěr, že fungovaly jako fosfátové nádrže.³

Jak tělo řeší nedostatek fosfátů

Nedostatek anorganických fosfátů v lidském těle vyvolává hyperproliferaci (nadměrné množení buněk) a rozlišení enterocytů v trávicím epitelu. Tyto enterocyty pohlcují ve zvýšené míře fosfáty z trávicího traktu, čímž zvyšují celkovou hladinu fosfátů v těle.

A protože anorganické fosfáty jsou pro buněčný život zcela zásadní, tým usoudil, že se jedná o mechanismus přežití navržený tak, aby (v případě potřeby) produkoval více enterocytů, což zase zvyšuje množství fosfátu v buňce.⁴

Odkaz na genetiku

Dalším důkazem funkce nové organely bylo to, že když buňky měly nedostatek fosfátu, byl vypnut gen, který vytvářel protein citlivý na fosfáty. Tato snížená genová exprese okamžitě nastartovala rychlé buněčné dělení. A naopak – pokud vědci upravili gen tak, aby vytvářel daný protein nadměrně, buněčné dělení se zpomalilo. Takže kdykoli byl tento gen omezen nebo vypnut, záložní úložiště fosfátu se uvolnilo do buněčné cytoplazmy, což umožnilo fosfátu plnit jeho důležité buněčné funkce.

Genetik a spoluautor studie, Chiwei (Charles) Xu, poznamenal: „Nový objev nás upozorňuje na to, že je toho ještě hodně, co se musíme o buněčné fyziologii naučit.“ Tento objev podporuje trend minulého století: úměrně tomu, jak je živá buňka zkoumána ve stále vyšším optickém rozlišení, se stále více odkrývá její složitost. A rostoucí složitost uvnitř buňky samozřejmě jen více snižuje pravděpodobnost evoluce neřízenými procesy.

Obrázek 2. Tři nové organely ukládající fosfáty, jak je ukazuje snímek z transmisního elektronového mikroskopu. Všimněte si tmavé trojité membrány u každé z nich. Zdroj: Conroy, Gemma. V trávícím traktu ovocných mušek byla objevena nová buněčná „organela“. Nature, květen 2023.

Podrobnosti o nové organele P₁

Nová organela byla uzavřena několika membránovými vrstvami v cibulovité struktuře, která ji oddělovala od cytoplazmy (obrázek 2). Bylo zpozorováno, že protein PXo transportuje anorganický fosfát přes membránové vrstvy dovnitř nově objevené organely.

Jakmile se dostal do organely, anorganický fosfát byl pro skladování přeměněn na fosfolipidy. Když je anorganického fosfátu málo, pak lysozomy, které obsahují štěpící enzymy, umožní uvolnění fosfátu do cytoplazmy a následně jeho využití buňkou.⁵

Vědci tento objev učinili při zkoumání role fosfátu během obnovy buněk ovocné mušky Drosophila melanogaster. Základní požadavek na skladování a uvolňování fosfátů prováděný touto novou organelou nejspíš existuje i pro jiné chemické prvky, což ukazuje na to, že musí existovat mnoho dalších organel, které plní stejnou funkci jako tato nově objevená, ale v současnosti bezejmenná organela. Například právě v roce 2022 bylo zjištěno, že u much je v podobných žlázách uložen zinek.⁶

Biologická funkce prvku fosfor

Fosfát je sloučenina tvořená fosforem a kyslíkem. Fosfor se při styku se vzduchem samovolně vznítí, proto aby se tomuto vznícení zabránilo, musí být skladován pod olejem ve sklenici. Fosfor také prudce reaguje s oxidanty, halogeny (brom, chlor, fluor a jód), některými kovy, dusitany, sírou a mnoha dalšími sloučeninami, čímž vzniká nebezpečí požáru. Z tohoto důvodu je fosfát velmi nestabilní a musí být v buňce přísně regulován.

Jedním z jeho nejdůležitějších použití je sloučenina adenosintrifosfát (ATP), nazývaná „energetická měna“ buňky.⁷ ATP poskytuje energii k řízení a podpoře mnoha procesů v živých buňkách, včetně svalové kontrakce, šíření nervových impulsů a určitých reakcí chemické syntézy. Jeho důležitost nám ukazuje fakt, že v ATP obnovuje lidské tělo každý den ekvivalent své vlastní tělesné hmotnosti.⁸ Důsledky jeho nedostatku byly podrobně popsány genetickými výzkumnicemi Emily Strachan a Irene Miguel-Aliage:

„Bez anorganického fosfátu (Pi) by naše buňky neměly žádnou DNA, žádné molekuly ATP k ukládání energie a žádné fosfolipidy k tvorbě membrán. Vědci však plně nerozumí tomu, jak je fosfát metabolizován nebo ukládán v živočišných buňkách, ani jak by mohl fungovat jako signál, který umožňuje buňkám komunikovat.“⁹

Navíc pokud je známo, všechny organismy, od těch nejjednodušších bakterií až po člověka, používají ATP jako svou primární energetickou měnu, která pohání prakticky každou činnost buňky i organismu.

Energetická hladina v ATP je právě to správné množství pro většinu biologických reakcí. Energie se obvykle uvolňuje z molekuly ATP, aby mohla vykonávat práci v buňce pomocí reakce, která odstraňuje jednu ze skupin fosfát-kyslík a zanechává adenosindifosfát (ADP). Když se ATP takto přemění na ADP, říkáme, že ATP je spotřebována. Poté je ADP obvykle okamžitě obnoven v mitochondriích, kde je znovu nabit ATP syntázou a znovu vychází jako ATP. Stručně řečeno, „na zachycení a uvolnění toho posledního fosfátu [na ATP] závisí fungování celého světa.”¹⁰

Souhrn

Tento objev nové organely nám ukazuje, kolik se toho ještě musíme o buněčné anatomii a fyziologii naučit. Byla tam po celou dobu, ale nikdo si jí nevšiml, dokud si harvardští výzkumníci neuvědomili, že v buňce musí být. Jak již bylo řečeno, tento objev podporuje trend minulého století: odhalení větší složitosti v buňce jen více snižuje pravděpodobnost evoluce náhodnými okolnostmi. Pokud všechny prvky v buňce včetně železa překročí určitou hranici, jsou toxické – tudíž je velmi pravděpodobné, že v buňce existují další podobné systémy jako je organela popsaná v tomto článku, aby bezpečně uchovávaly jiné prvky.

Odkazy

1. Conroy, Gemma. 2023. New cellular „organelle“ discovered inside fruit-fly intestines; https://www.nature.com/articles/d41586-023-01518-8, 4 May 2023.
2. Conroy, 2023.
3. Conroy, 2023.
4. Jackson, Justin. 2023. Fruit fly gut research leads to discovery of new phosphate-storing organelle; https://phys.org/news/2023-05-fruit-fly-gut-discovery-phosphate-storing.html, 5 May 2023.
5. Strachan, Emily, and Irene Miguel-Aliaga. 2023. Phosphate-storing organelle found in flies. Nature: News and Views doi: 10.1038/d41586-023-01410-5, 3 May pp. 1-2.
6. Garay, E. et al.  2022. Proceedings of the National. Academy of Science USA 119, e2117807119.
7. Bergman, Jerry. 1999. ATP: The Perfect Energy Currency for the Cell. Creation Research Society Quarterly 36(1):199, 1999.
8. Törnroth-Horsefield, Susanna, and Richard Neutze. 2008. Opening and closing the metabolite gate. Proceedings of the  National. Academy of Science USA. 105(50):19565–19566, 16 December.
9. Strachan, Emily, and Irene Miguel-Aliaga. 2023. Phosphate-storing organelle found in flies. Nature: News and Views doi: 10.1038/d41586-023-01410-5, 3 May.
10. Trefil, James. 1001 Things Everyone Should Know About Science. Doubleday, New York, New York, 93, 1992.