加州大学欧文分校和宾夕法尼亚大学的研究人员利用新型超分辨率显微镜，首次观察到从细胞中分离出来的线粒体内的电荷和放电功能。
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，一直在寻求对线粒体更深入的了解。
虽然过去的许多研究项目都研究了这些成分存在于活细胞中的物理特性，但uci领导的项目是第一个使用超分辨率显微镜研究活的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。该团队的研究结果发表在《ACS纳米》杂志上。
“当我们第一次开始研究分离的线粒体时，我们知道它们的行为就像一个电池，这是基于东京城市老年学研究所和加州大学洛杉矶分校的一些工作，但我们不能很好地控制它们在细胞内来探测它们，”UCI电气工程和计算机科学教授Peter Burke说。“现在我们可以控制每个单独的电子元件，并使其充电和放电。”
他说，新一代的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领先的方法——艾里显微镜、受激发射耗尽显微镜和晶格结构照明显微镜。
这使他们能够检查嵴，线粒体内重复的蛇形结构约为100纳米。可见光的最短波长是紫外光，大约380纳米，伯克说，所以他们需要强大的仪器——超分辨率显微镜——来探测不到三分之一大小的物体的电压分布。
“想象一下，试图研究特斯拉的电池组是如何工作的，但你只能通过驾驶汽车来实现，”他说。“你不会对汽车内部的电池组有太多了解。”
通过将线粒体从细胞中取出并保持其存活，Burke和他的合作者——主要作者，UCI生物医学工程研究生研究员ChiaHung Lee和宾夕法尼亚大学的Douglas Wallace——能够对线粒体进行充电和放电。
伯克说:“我们可以详细观察每个单独部件作为单个电池的行为，就像无人机和汽车上的电池组是如何由许多较小的电池单独组合起来为车辆提供动力一样。”“有趣的是，我们发现电池在充电和放电时会重新排列自己，这是普通电池所没有的特征。”
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变化。线粒体可以根据需要创造和破坏它的“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是如何产生能量的，我们就可以开始想办法修改它，以改善人类的健康和寿命。”
