Tłuszcz jest normalną i niezbędną częścią ciała. Komórki tłuszczowe magazynują i uwalniają energię, a także odgrywają znaczącą rolę w regulacji hormonalnej i odporności.
W ostatnich dziesięcioleciach niepokojący wzrost liczby chorób metabolicznych – takich jak choroby układu krążenia, wysokie ciśnienie krwi i cukrzyca – skupił uwagę naukowców na biologii i chemii tłuszczu, co zaowocowało bogactwem informacji na temat działania komórek tłuszczowych.
Ale komórki tłuszczowe i ich aktywność metaboliczna to tylko część historii.
Wypełnione tłuszczem kropelki lipidów, maleńkie kuleczki tłuszczu wielokrotnie mniejsze od komórek tłuszczowych, stanowią coraz większy przedmiot zainteresowania nauki. Te cząsteczki lipidowe, występujące w wielu różnych typach komórek, od dawna są mało poznane. Zaczęto badać udział tych kropelek w funkcjach metabolicznych i ochronie komórek, ale nadal prawie nic nie wiemy o fizycznej naturze tłuszczu.
Teraz naukowcy ze Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii wyszli poza biochemię i opublikowali przełomowe prace na temat fizyki tych kropelek, ujawniając, że stanowią one potencjalne zagrożenie dla jądra komórkowego. W sierpniowym numerze czasopisma Journal of Cell Biology jako pierwsi odkryli zaskakującą zdolność wypełnionych tłuszczem kropelek lipidów do wcinania i nakłuwania jądra – organelli, która zawiera DNA komórki i reguluje je.
Stawka ich odkryć jest wysoka: pęknięte jądro może prowadzić do zwiększonego uszkodzenia DNA, które jest charakterystyczne dla wielu chorób, w tym raka.
Badania prowadzili Dennis E. Discher, Robert D. Bent profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej, dr Irena Ivanovska. Pracownik naukowy w Laboratorium Biofizyki Molekularnej i Komórkowej Penna oraz dr Michael Tobin. Kandydat na Wydziale Bioinżynierii.
„Intuicyjnie ludzie myślą, że tłuszcz jest miękki” – mówi Discher. „I na poziomie komórkowym tak jest. Jednak przy tak małym rozmiarze kropelki – mierzącym zaledwie kilka mikronów, a nie setki mikronów dojrzałej komórki tłuszczowej – przestaje ona być miękka. Jej kształt ma znacznie większą krzywiznę, wyginając się inne obiekty bardzo gwałtownie. Zmienia to fizykę komórki. Może się odkształcić. Może uszkodzić. Może pęknąć.
„Wyobraźcie sobie” – dodaje Iwanowska – „próbujecie przebić balon pięścią. Niemożliwe. Można odkształcić balon, ale go nie przebijecie. A teraz wyobraźcie sobie, że próbujecie przebić go długopisem. Na tym polega różnica między komórką tłuszczową i komórka zawierająca małe kropelki tłuszczu w organizmie. To podstawowa różnica fizyczna, a nie metaboliczna”.
Badania zespołu zmieniają ramy badań naukowych nad tłuszczem, podkreślając, że rola tłuszczu w organizmie to znacznie więcej niż tylko liczba na wadze.
„To nie jest tłusta koncepcja kanoniczna” – mówi Tobin. „Chodzi o to, jak tłuszcz działa w skali mniejszej niż komórka i stwarza fizyczne ryzyko dla składników komórkowych, nawet na poziomie DNA”.
Praca zespołu opiera się na dziesięciu latach podstawowych badań, w tym wiodącym wkładzie Iwanowskiej, na temat zachowań białek jądrowych, które nadają jądru ochronne właściwości strukturalne. Białka te są dynamicznymi, zmieniającymi się poziomami, aby reagować na środowisko mechaniczne i dostarczać jądru to, czego potrzebuje, aby zachować swoją integralność.
„W komórkach zachodzi ciągły proces naprawy uszkodzeń DNA” – mówi Iwanowska. „Aby tak się stało, jądro musi zawierać wystarczającą ilość białek naprawiających DNA. Jeśli jądro zostanie przerwane, białka te rozproszą się i nie będą w stanie naprawić uszkodzeń w odpowiednim czasie. Powoduje to akumulację uszkodzeń DNA i może potencjalnie skutkować powstaniem komórki nowotworowej”.
Komórka żyje w dynamicznym środowisku fizycznym i mechanicznym, w którym wszystko może pójść nie tak i rzeczywiście. Ale ma też armię molekularnych pomocników, którzy zawsze pracują nad jego konserwacją i naprawą.
„Problem polega na tym” – mówi Discher – „kiedy jądro jest zagrożone — przez toksyny, nadmierną ekspozycję na promienie UV lub kropelki lipidów wypełnione tłuszczem. Istnieje wówczas duże ryzyko uszkodzenia DNA, co ma konsekwencje dla zdrowia. “