Forskere opdager et nyt spor bag aldersrelaterede sygdomme og madfordærvelse

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort en overraskende opdagelse, der kan hjælpe med at forklare vores risiko for at udvikle kroniske sygdomme eller kræftformer, når vi bliver ældre, og hvordan vores mad nedbrydes over tid.

Hvad mere er, deres resultater, som blev rapporteret for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), pege på en uventet sammenhæng mellem ozonkemien i vores atmosfære og vores cellers faste evne til at afværge sygdom.

"Det smukke ved naturen er, at den ofte beslutter sig for at bruge lignende kemi gennem et system, men vi troede aldrig, at vi ville finde en fælles forbindelse mellem atmosfærisk kemi, og kemien i vores kroppe og mad, " sagde Kevin Wilson, vicedirektøren for Berkeley Labs Chemical Sciences Division, der ledede undersøgelsen. "Vores undersøgelse er den første til at udforske en anden kemisk vej, der kan påvirke, hvor godt cellerne i vores kroppe - og endda vores mad - kan reagere på oxidativt stress, såsom forurening, over tid."

Vores kroppe og nogle af vores yndlingsretter, inklusive kød, nødder, og avocadoer, har meget til fælles:De er lavet af organiske molekyler, såsom umættede lipider, som er vigtige byggesten til cellevægge.

Umættede lipider og andre organiske molekyler, som kulhydrater og proteiner, nedbrydes langsomt over tid på grund af en kædereaktion - kendt som autooxidation - skudt i gang af oxygen- og hydroxylradikaler, en type reaktive oxygenarter. Hydroxylradikaler angriber snigende de umættede lipider i vores kroppe og vores mad, gør den friskeste avocado brun, for eksempel.

Skader på vores kroppe fra hydroxylradikaler, imidlertid, er mere ødelæggende end en oxideret avocado. Når vi bliver ældre, årtiers eksponering for hydroxylradikaler og andre reaktive iltarter svækker langsomt, men helt sikkert, vores krops umættede lipider. Sådanne irreversible skader øger oxidativt stress og sandsynligheden for at udvikle kræft og aldersrelaterede kroniske sygdomme som Alzheimers.

Et uventet link

I årtier, videnskabsmænd troede, at hydroxylradikaler virkede alene, når de angriber umættede lipider.

Men Wilson og hans forskerhold fandt ud af, at hydroxylradikaler har en overraskende partner i kriminalitet - og det går under navnet "Criegee-mellemprodukt."

Criegee-mellemprodukter er meget reaktive, eksotiske molekyler først foreslået af kemiker Rudolf Criegee i 1975 for at forklare, hvordan forurenende stoffer, der udsendes af biler og fabrikker, reagerer med ozonlaget i vores atmosfære.

Så i 2015 årtier efter Criegees banebrydende opdagelse, Wilson og medforfatter Nadja Heine var overraskede over at observere en kemisk art kaldet "sekundære ozonider" - molekyler indeholdende kulstof, brint, og oxygen - under en hydroxylreaktion med umættede lipider ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS). (Heine var en postdoc-forsker i Berkeley Labs Chemical Sciences Division på tidspunktet for undersøgelsen.)

Hvad forbløffet forskerne er, at sekundære ozonider ikke typisk er forbundet med umættede lipider; hellere, de er produkter af en Criegee-mellemreaktion med atmosfæriske aldehyder, som er organiske forbindelser afledt af alkoholer.

"Vi undrede os, arbejder Criegee-mellemprodukter med hydroxyl i nedbrydningen af ​​de umættede lipider i fødevarer, plast, og cellerne i vores kroppe?" sagde Wilson.

Går på skurvogn

Fordi Criegee-mellemprodukter har en flygtig eksistens, det er svært at observere dem direkte. Så forskerne brugte en elimineringsproces for at nulstille dem.

Hovedforfatter Meirong Zeng, en postdoc forsker i Berkeley Labs Chemical Sciences Division, brugte en teknik kaldet massespektroskopi ved ALS til at belyse lipid nanodråberne under ultraviolet lys. ALS er en DOE-finansieret synkrotronfacilitet, der leverer røntgenstråler, ultraviolet, og infrarødt lys til at understøtte snesevis af simultane eksperimenter for at udforske den mikroskopiske struktur og kemiske sammensætning af prøver på tværs af en bred vifte af videnskabelige discipliner.

Da hun tilføjede "scavenger" alkoholmolekyler kendt for kun at reagere med Criegee mellemprodukter til lipid nanodråberne, hun observerede, at lipidernes nedbrydningshastighed blev iøjnefaldende langsommere - en konsekvens af scavenger-molekylernes reaktivitet med Criegee-mellemprodukterne og dermed gjorde dem inerte, sagde Zeng.

De fandt også ud af, at når Criegee-mellemprodukterne var blevet deaktiveret af scavenger-molekylerne, reaktionen gav produkter svarende til peroxid, og det frigav ikke sekundære ozonider, sagde Zeng.

Forskerne mener, at disse resultater giver bevis på en ny lipidnedbrydningsvej, hvor lipidhungrende hydroxyl genererer Criegee-mellemprodukter, som så føder et nyt parti hydroxyl; den nydannede hydroxyl sender en ny generation af Criegee-mellemprodukter afsted; og cyklussen fortsætter og fortsætter.

"Dette overraskede os, fordi hydroxylradikaler var kendt for at forårsage oxidativ skade på celler, men hvad der ikke var kendt før vores undersøgelse er, at hydroxyl gør dette via dannelsen af ​​Criegee-mellemprodukter, " tilføjede Wilson.

Siden kroniske sygdomme, Kræft, og fødevarefordærvelse er blevet forbundet med celleskade forårsaget af hydroxylradikaler, forskerne mener, at Criegee-mellemprodukter også kan spille en lignende rolle i den molekylære nedbrydning, der gør os sårbare over for sygdomme, når vi bliver ældre, og det får mad til at rådne.

En ny vej for antioxidanter

Opdagelsen kan lægge grundlaget for en ny klasse af antioxidanter - fra vitaminer til naturlige fødevarekonserveringsmidler, Zeng tilføjede.

"Det er en spændende opdagelse. Dette gav os et mere fuldstændigt billede af mekanismerne bag cellulær nedbrydning og sygdom, som var fuldstændig uventet, " hun sagde.

"At fuldføre dette arbejde krævede mange års hårdt arbejde af Nadja og Meirong, og den avancerede lyskildes unikke egenskaber til at undersøge kompleks kemi, " sagde Wilson. "Vi håber, at resultaterne fra vores undersøgelse vil inspirere forskere til yderligere at udforske biokemien af ​​Criegee-mellemprodukter, lipider, og antioxidanter, som er nødvendige for at hjælpe mennesker på en række måder:fra forebyggelse af sygdom til konservering af fødevarer."

Forskerne planlægger derefter at arbejde med teoretikere ved Berkeley Lab for at studere kvanteegenskaberne, såsom den elektroniske struktur, på spil i Criegee-mellem-/hydroxyl-reaktionen for bedre at kunne vurdere, hvordan denne cyklus kan fungere i menneskelige celler, mad, og i materialer, der indeholder umættede lipider, såsom plast og brændstoffer.