Пущинские ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, совместно с коллегами из Института общей физики им А. М. Прохорова РАН, выявили существование значительных ультралокальных градиентов температуры, связанных с теплопродукцией на изолированных митохондриях мозга мыши. Температурные измерения, выполненные с помощью алмазного нанотермометра заостряют внимание на парадоксе «горячей митохондрии». Результаты их исследований опубликованы в свежем номере журнала Nanomaterials, в специальном выпуске, посвященном выдающемуся прогрессу наноалмазных технологий.

Начиная с середины прошлого десятилетия в научных публикациях интенсивно обсуждается возможность существования внутри живой клетки температурных градиентов в микро- и наномасштабах (Thermal Signaling Concept). Положительное решение этого вопроса предполагает пересмотр всех биофизических основ современной клеточной физиологии и общепринятой экспериментальной практики, обычно рассматривающей температуру только как внешний по отношению к живой клетке параметр. Неизбежный ультралокальный термодинамический след биохимических, электрических и структурно-динамических процессов в микро/нанометровых компартментах живой клетки оставался до сих пор экспериментально неосязаем.

Заведующий Лабораторией цитотехнологии ИТЭБ РАН, к.ф.-м.н. Вадим Эгонович Цееб так прокомментировал исследование: «Важно отметить, что температурой как макроскопическим параметром можно абсолютно свободно пользоваться в водной среде вплоть до характеристических размеров компартментов в 10 нм, в каждом из которых теоретически можно вполне достоверно определять свою локальную температуру, поскольку такие объемы воды все еще содержат макроскопическое количество молекул воды, позволяющее игнорировать спонтанные флуктуации термодинамических параметров. Однако методы изучения процессов теплопередачи в столь малых объемах (как экспериментальные, так и теоретические) находятся в настоящее время лишь в своем зачаточном и довольно противоречивом развитии».

Парадоксальность ситуации заключается в том, что стандартная теория теплопроводности Фурье (применимость которой к микро- и наноструктурам крайне неоднозначна) отрицает возможность существования ультралокальных градиентов температуры внутри живой клетки при реалистичной оценке тепловой мощности экзотермических цитоплазматических и электрических мембранных процессов.

В представленной работе впервые удалось применить полностью оптический наноалмазный прецизионный термометр созданный в ИТЭБ РАН и ИОФ РАН для измерения температуры изолированных митохондрий на наноразмерном пространственном разрешении в водной среде с точностью превосходящей 0,1 °C.

Оптический наноалмазный термометр созданный в ИТЭБ РАН и ИОФ РАН для измерения температуры изолированных митохондрий. Фотография предоставлена В. Э. Цеебом.

Синтезированный методом CVD SiV-наноалмаз с кремний-вакантными центрами окраски представляет собой закрытую термодинамическую систему. В таком нанодевайсе отсутствует прямой контакт температурного сенсора – атомарной структуры (кремний вакантного центра окраски внутри наноалмаза) с окружающей средой, что делает его идеальным наноразмерным термометром, полностью environmental insensitive, т. е. обладающим способностью чувствовать только температуру.

Бесконечная фотостабильность SiV-наноалмаза и его феноменально высокая теплопроводность (практически на четыре порядка выше, чем у воды), в сочетании с низкой теплоемкостью (на порядок меньше, чем у воды) позволяет вскрывать те внутриклеточные термодинамические процессы, мониторинг которых ранее был абсолютно недоступен даже в мысленных экспериментах, в том числе касающихся чрезвычайно быстрых термических релаксационных явлений, которые, например, для микронного кубика воды имеют времена порядка 10 микросекунд.

Исследование показало, что аппликация протонофорного разобщителя мембранного потенциала CCCP приводила к повышению температуры вблизи изолированной митохондрии из мозга мыши на 4–22 °C выше амбиентной температуры раствора (23 °C). Спонтанные температурные скачки сопоставимой амплитуды были детектированы также и до аппликации CCCP, вероятно отражающие процесс синтеза АТФ или утечку мембранного потенциала.
Абсолютный максимум температуры, который был записан в экспериментах ученых, составил 45 °C, что хорошо вписывается в биохимическую термодинамическую оценку активностей различных ферментов дыхательной цепи митохондрии, максимум которых лежит чуть выше 50 °C, что можно теперь уверенно определить как рабочую температуру митохондрии внутри живой клетки. Важно отметить, что сама возможность проведения подобных измерений является выдающимся технологическим достижением, имеющим и несомненное фундаментальное значение.

«Наши данные впервые однозначно указывают на то, что как не парадоксально это звучит, локальные температуры различных внутриклеточных наноскопических компартментов с различной метаболической/ термодинамической активностью могут отличаться друг от друга на десятки градусов, по аналогии с тем, как например рабочая температура автомобильного двигателя (110 °C) значительно отличается от температуры салона», – рассказал Вадим Эгонович Цееб. По его мнению, эта экспериментальная работа должна значительно стимулировать прогресс одной из самых сложных глав теоретической неравновесной термодинамики – изучения процессов теплопередачи в микро/наноразмерных системах.

Более того, странное на первый взгляд предположение о том, что живая клетка способна осуществлять ультралокальный термический процессинг (“nanoscale boiling”) для широкого спектра своих сигнальных, структурных, биохимических и электрофизиологических явлений, имеет теперь прямое экспериментальное обоснование.

Прогресс в методическом подходе, представленном в работе ученых, открывает абсолютно новое окно возможностей для клеточной физиологии – возможность изучения ультралокальных термодинамических явлений внутри живой клетки, в том числе и наиболее интригующих из них: электротермических явлений в возбудимых клеточных мембранах.

Работа поддержана грантами: Human Frontier Science Program RGP0047/2018; RSF grant #20-65-46035; R&D #760/22.

Источник: ИТЭБ РАН.