Клітини нашого тіла функціонують як гамірні міста. Вони працюють від системи, що працює на залізі, яка використовує перекис водню не просто як засіб для чищення, але як канал для найважливіших сигналів, які включають вуглекислий газ (CO2), і допомагають захистити ДНК. Це ефективна система за звичайних обставин, але стає причиною для занепокоєння, коли клітини відчувають стрес, наприклад під час запалення або раптового сплеску споживання енергії. При такій напрузі окислювальний стрес може завдати шкоди клітинам на генетичному рівні.
Роль бікарбонату
У наших клітинах відбувається хімічна реакція, яка називається реакцією Фентона. У цій реакції залізо та перекис водню змішуються, утворюючи руйнівні гідроксильні радикали, які без розбору атакують ДНК та РНК. Однак цим клітинам вдається перетворити те, що здається супротивником – CO2 – на союзника. Вуглекислий газ, сумно відомий своїм впливом на глобальний клімат, забезпечує нашу ДНК і клітини бікарбонатом, який допомагає підтримувати баланс pH.
Залишена без уваги функція бікарбонату
Згідно з дослідженням, проведеним групою хіміків з Університету Юти, функція бікарбонату виходить за межі простого буфера pH. Дослідження показали, що бікарбонат може змінювати реакцію Фентона в наших клітинах, тим самим зменшуючи утворення хаотичних гідроксильних радикалів. Натомість реакція виробляє карбонатні радикали, які становлять меншу загрозу для ДНК.
Окислювальний стрес і захворювання
Синтія Берроуз, видатний професор хімії та старший автор дослідження, розповіла про наслідки цього відкриття, зокрема для розуміння захворювань, де окислювальний стрес відіграє значну роль.
«Стільки хвороб, стільки станів мають окислювальний стрес як компонент хвороби. Це включало б багато видів раку, фактично всі вікові захворювання, багато неврологічних захворювань», – сказав Берроуз. «Ми намагаємося зрозуміти фундаментальну хімію клітин під час окисного стресу. Ми дізналися дещо про захисний ефект CO2, який, на мою думку, є дійсно глибоким».
Команда Берроуза включала доцента-доцента Аарона Флемінга та кандидата на докторську дисертацію Джастіна Дінгмана, обидва з яких є членами лабораторії Берроуза.
Справжній вплив CO2 на ДНК
Завдяки своєму дослідженню дослідники виявили значну роль бікарбонату в наших клітинах, коли вони стикаються з окислювальним стресом. За відсутності бікарбонату або CO2 під час реакцій окислення ДНК утворюються вільні радикали – гідроксильний радикал – надзвичайно реактивні та серйозно пошкоджують ДНК. Однак присутність бікарбонату з розчиненого CO2 змінює реакцію, в результаті чого утворюється менш шкідливий радикал, який діє лише на гуанін, складову нашого генетичного коду.
Бікарбонат, нова гра, що змінює правила
Відкриття Берроуз та її команди свідчить про те, що клітини набагато розумніші, ніж вважалося раніше. Це може змінити наше розуміння окислювального стресу та його зв’язку з хворобами, такими як рак і старіння. Що ще важливіше, їхні висновки свідчать про те, що багато вчених, які вивчають пошкодження клітин, могли проводити лабораторні експерименти таким чином, що не відображають реальних умов, що може поставити під сумнів їхні висновки.
Питання належних умов лабораторії
Вчені вирощують клітини в культурі тканини в інкубаторі, налаштованому на температуру тіла, де рівень вуглекислого газу підвищується до 5%. Це середовище повторює природне середовище існування клітин, коли вони метаболізують поживні речовини. Однак це середовище змінюється, коли дослідники починають свої експерименти за межами інкубатора.
Важливість CO2 поза межами ДНК
За словами Берроуза, бікарбонат необхідно включити в експерименти, щоб забезпечити надійні результати.
«Більшість людей не враховують бікарбонат/CO₂ під час вивчення окислення ДНК, оскільки важко мати справу з постійним виділенням CO₂», — пояснив Берроуз.
«Ці дослідження показують, що для отримання точної картини пошкодження ДНК, яке відбувається внаслідок нормальних клітинних процесів, таких як метаболізм, дослідники повинні бути обережними, щоб імітувати належні умови клітини та додавати бікарбонат, тобто розпушувач!»
Потенційні позитивні результати
Берроуз припускає, що її дослідження може мати несподівані переваги, які колись можуть просунути дослідження в інших областях. Наразі її лабораторія шукає нове фінансування від НАСА для вивчення впливу CO2 на людей, які перебувають у закритих приміщеннях, наприклад у космічних капсулах і підводних човнах.
Захисні властивості CO2 на ДНК
Дослідження захисного ефекту CO2 може бути життєво важливим для астронавтів, які працюють у закритих середовищах, де підвищений рівень CO2 є звичним явищем. Трохи вища концентрація CO2 може створити захисний екран від радіації, яка генерує гідроксильні радикали. Такі висновки можуть кардинально змінити наш погляд на вуглекислий газ та його роль у наших клітинах.
Зрештою, це дослідження проливає світло на те, як клітини розумно захищають ДНК і підтримують баланс. Відкриття ролі бікарбонату в цьому процесі неодмінно сколихне сферу наукових досліджень, розвіє помилкові уявлення та змінить форму майбутніх досліджень. Дослідження фінансувалося NIH/Національним інститутом загальних медичних наук. Дослідження опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences і BioRxiv.