رازهای پنهان اجتماعی میتوکندری‌ها: دنیای فراتر از انرژی

من همیشه به دنبال درک زندگی بوده‌ام. چه چیزی ما را به حرکت در می‌آورد؟ چه چیزی به ما امکان می‌دهد که بهبود پیدا کنیم و شکوفا شویم؟ و چه چیزی اشتباه پیش می‌آید زمانی که بیمار می‌شویم یا زمانی که بالاخره تنفس متوقف می‌شود و می‌میریم؟ جستجوی من برای پاسخ به این سوالات جسورانه، به طور منطقی من را به سمت میتوکندری‌ها هدایت کرد.

در کلاس‌های زیست‌شناسی از دبیرستان تا دانشگاه، یاد گرفتم که میتوکندری‌ها اجسام کوچکی هستند که درون هر سلول قرار دارند و به عنوان “منابع انرژی” عمل می‌کنند و اکسیژن و غذا را ترکیب می‌کنند تا انرژی ایجاد کنند. این تصور که میتوکندری‌ها مانند باتری‌هایی با شارژر درونیشان هستند، به اندازه یکی از باتری‌های تلفن همراه من جالب بود و من را برای واقعیات حیاتی این اندامک‌ها در زمان نخستین مشاهدۀ آن‌ها زیر میکروسکوپ در سال ۲۰۱۱ آماده نکرد. آن‌ها درخشان بودند به خاطر رنگ درخشان که به آنها اضافه کرده بودم و همواره در حال حرکت، کشش و تغییر شکل بودند و به یکدیگر تماس می‌زدند. آن‌ها زیبا بودند. آن شب، در یک آزمایشگاه تاریک در نیوکاسل آپون تاینی انگلستان، من به یک میتوکندریاک تبدیل شدم: به شدت به میتوکندری‌ها وابسته شدم.

بینش عمیق بیولوژیست لین مارگولیوس به من کمک کرد تا معنایی از آنچه می‌دیدم بگیرم. او در سال ۱۹۶۷ فرض کرد که میتوکندری‌ها از یک باکتری نشأت می‌گیرند که حدود ۱.۵ میلیارد سال پیش توسط یک سلول بزرگتر اجداد یورش برده شد. به جای مصرف این موجود کوچک، سلول بزرگتر اجازه داد تا به زندگی خود ادامه دهد. مارگولیوس این رویداد را “اندوسیمبیوز” نامید، که به‌طور تقریبی به معنای “زندگی یا کار در کنار یکدیگر از درون” است. سلول میزبان هیچ منبع انرژی که از اکسیژن استفاده کند نداشت—که به لطف گیاهان، در جو به وفور وجود داشت؛ میتوکندری‌ها این خالی را پر کردند. این اتحاد غیرمنتظره به سلول‌ها اجازه داد تا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و همکاری کنند و آگاهی خود را فراتر از مرزهای خود گسترش دهند، و به همین ترتیب آینده‌ای پیچیده‌تر در قالب حیوانات چندسلولی را ممکن ساختند. میتوکندری‌ها سلول‌ها را اجتماعی کردند و آن‌ها را در قراردادی متصل کردند که در آن بقاء هر سلول به هر سلول دیگر بستگی دارد و به این ترتیب ما را ممکن ساختند.

به طرز شگفت‌آوری، هم‌کاران من و من کشف کردیم که میتوکندری‌ها خودشان موجودات اجتماعی هستند. حداقل، آن‌ها نشانه‌هایی از اجتماعی بودن را نشان می‌دهند. مانند باکتری که از آن نشأت گرفتند، آن‌ها یک چرخه زندگانی دارند: قدیمی‌ها می‌میرند و جدیدها از موجودات موجود زاده می‌شوند. جوامع این اندامک‌ها درون هر سلول زندگی می‌کنند و معمولاً گرداگرد هسته سلولی جمع می‌شوند. میتوکندری‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، هم درون سلول‌های خود و هم در بین دیگر سلول‌ها، به یکدیگر در زمان‌های نیاز کمک می‌کنند و به‌طور کلی به شکوفایی جامعه کمک می‌کنند. آن‌ها حرارتی تولید می‌کنند که بدن ما را گرم نگه می‌دارد. آن‌ها سیگنال‌هایی در مورد جنبه‌های محیطی که در آن زندگی می‌کنیم، مانند سطح آلودگی هوا و عواملی ایجادکننده تنش دریافت می‌کنند و سپس این اطلاعات را یکپارچه می‌کنند و سیگنال‌هایی مانند مولکول‌هایی که فرآیندهای درون سلول و در واقع در سرتاسر بدن را تنظیم می‌کنند، منتشر می‌کنند.

وقتی میتوکندری‌های ما شکوفا هستند، ما نیز شکوفا می‌شویم. وقتی که آن‌ها خراب می‌شوند—برای مثال، وقتی توانایی آن‌ها برای تغییر انرژی به اشکالی که برای واکنش‌های بیوشیمیایی نیاز است، مختل می‌شود—ممکن است شرایطی متنوع مانند دیابت، سرطان، اوتیسم و اختلالات نورودژنراتیو تجربه کنیم. و به‌دلیل انباشته شدن نقص‌های میتوکندری طی یک عمر به دلیل تنش‌ها و دیگر آسیب‌ها، آن‌ها به پیری و در نهایت مرگ کمک می‌کنند. برای درک این فرآیندها—برای دیدن اینکه چگونه می‌توان سلامت جسمی و روحی را حفظ کرد—کمک می‌کند که درک کنیم انرژی چگونه در بدن‌ها و ذهن ما حرکت می‌کند. این نیاز به نگاهی عمیق‌تر به میتوکندری‌ها و زندگی اجتماعی آن‌ها دارد.

مدت‌ها پیش از آن که برای نخستین بار نگاهی به میتوکندری‌ها بیندازم، درباره اصول ساختار و زیست‌شناسی آن‌ها مطالعه کرده‌ام. ما میتوکندری‌هایمان را از مادرمان به ارث می‌بریم—به‌طور دقیق‌تر، از سلول تخمک. میتوکندری‌ها دارای دی‌ان‌ای خود هستند که شامل تنها ۳۷ ژن می‌شود، در مقایسه با هزاران ژن در کروموزوم‌های حلزونی درون هسته سلول. این حلقه دی‌ان‌ای میتوکندری، یا mtDNA، درون دو غشای محافظت شده است. پوستۀ خارجی، که مانند پوست سوسیس شکل گرفته است، میتوکندری را احاطه کرده و به‌طور انتخابی اجازه می‌دهد که مولکول‌ها وارد یا خروج کنند. غشای داخلی از پروتئین‌های فشرده تشکیل شده و دارای بسیاری از چین‌خوردگی‌ها به نام کریستا است که به‌عنوان محل واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کند، مشابه صفحات معلق داخل یک باتری.

در دهه ۱۹۶۰، بیوشیمی‌دانان بریتانیایی، پیتر میچل و جنیفر مویل کشف کردند که چگونه الکترون‌های ناشی از کربن در غذا با اکسیژن در کریستاها ترکیب می‌شوند و جرقه‌ای از انرژی آزاد می‌کنند که به‌صورت گرادیانی از ولتاژ الکتریکی در سراسر غشاء به ثبت می‌رسد. این ولتاژ نیروی محرکه تمام فرآیندها در بدن و مغز را فراهم می‌کند، از گرمایش تا تولید مولکول‌ها تا تفکر. میتوکندری‌ها همچنین مولکولی به نام آدنوزین تری فسفات تولید می‌کنند که به‌عنوان واحد انرژی قابل حمل عمل می‌کند و صدها واکنش‌های بیوشیمیایی را در هر سلول تأمین می‌کند.

پس از بازگشت از بریتانیا، من یک فلوشیپ پسادکترا با ژنتیک‌دان و زیست‌شناس تکاملی داگلاس والاس در مرکز پزشکی میتوکندری و اپی‌ژنتیک در بیمارستان کودکان فیلادلفیا آغاز کردم. در سال ۱۹۸۸، والاس اولین ارتباط بین یک جهش در mtDNA و یک بیماری انسانی را کشف کرد. او ادامه داد تا برخی از اتصالات بنیادی زیست‌شناسی میتوکندری را به بیماری‌ها و فرآیند پیری خنثی کند و پایه‌گذاری رشته پزشکی میتوکندری را انجام دهد. در فیلادلفیا، من با یک همکار پسادکترا، میگان مک‌منوس کار کردم که می‌خواست بفهمد چگونه میتوکندری‌های معیوب می‌توانند باعث بیماری‌های قلبی-عروقی و نورولوژیکی شوند. مک‌منوس از من خواسته بود تا با میکروسکوپ الکترونی میتوکندری‌های موجود در قلب موش‌ها با جهش خاص mtDNA که منجر به نارسایی قلب می‌شد را عکاسی کنم.

تیم ما همچنین در حال آزمایش تصویربرداری سه‌بعدی با استفاده از توموگرافی الکترونی بودیم، همان تکنولوژی که به رادیولوژیست‌ها اجازه می‌دهد تا ارگان‌های داخلی بیمار را در 3D مشاهده کنند. چند هفته بعد، مدیر این پروژه، داوایت ویلیامز از دانشگاه پنسیلوانیا، مرا به اتاقی برد که میکروسکوپ توموگرافی میلیون دلاری در آن قرار داشت و به اندازه سقف بود تا فیلم‌های بازسازی شده از میتوکندری‌ها را به من نشان بدهد.

توموگرافی به ما نمایی 3D از کریستاها داد. برخی از میتوکندری‌ها در قلب موش‌های بیمار دارای کریستای‌های دندانه‌دار و بسیار نامنظم بودند—رنگ و بویی از عدم سلامتی که در تصاویر 2D می‌دیدم. اما یک چیز در 3D نمایان شد که هرگز در تصاویر تخت مشاهده نشده بود: حتی وقتی میتوکندری‌ها غیر سالم به نظر می‌رسیدند، کریستاهایشان در مکان‌هایی که میتوکندری‌ها به یکدیگر تماس می‌زدند، سالم به نظر می‌رسیدند. آن‌ها در حال تعامل بودند و به سازمان داخلی یکدیگر کمک می‌کردند. این نقاط تماس میتو-میتو همچنین بیشتر از هر قسمت دیگر همان میتوکندری کریستا داشتند. “میگان باید این را ببیند!” فکر کردم و به سرعت به آزمایشگاه در آن سمت دانشگاه دویدم.

وقتی فیلم را برای مک‌منوس دوباره شروع کردم، آنچه را چند دقیقه قبل دیده بودم توصیف کردم: “میتوکندری‌ها در حال تأثیرگذاری بر یکدیگر هستند!” ما چند بار ویدیو را تکرار کردیم. سپس مک‌منوس گفت، صدایش به خاطر هیجان بالا رفته بود، “و کریستاها ردیف شدند! کریستاها در میتوکندری‌ها ردیف شده‌اند!” او با دستش خطی در امتداد یک اتصال بین میتوکندری‌ها کشید.

من هزاران تصویر میکروسکوپ الکترونی از بهترین میکروسکوپیست‌ها را ورق زده بودم. هرگز در مورد ردیف شدن کریستاهای یک میتوکندری با کریستاهای میتوکندری دیگر نشنیده بودم. در نیوکاسل، من مقاله‌ای از سال ۱۹۸۳ به نویسندگان روسی لورا ا. بکه‌وا و ولادیمیر پ. اسکولاچف دیدم که به توصیف “تماس‌های بین میتوکندریایی” می‌پرداخت و من ثابت کرده بودم که این تماس‌ها بعد از ورزش افزایش می‌یابند—شاید کارایی انرژی را افزایش دهند. چگونه ممکن است ما همه ردیفی را از دست داده باشیم؟ با این حال به‌جای اینکه به‌صورت صفحات موازی دراز بمانند، همانطور که در کتاب‌های درسی اغلب به تصویر کشیده می‌شوند، کریستاها به صورت نواری‌های موازی و موج‌دار در میتوکندری‌ها شکل می‌گرفتند. تقریباً به نظر می‌رسید که کریستاها در حال کمک به سازمان یافته کردن همسایگان خود برای دستیابی به آرایش عادی و سالم هستند.

در جلسه بعدی آزمایشگاه، من پیشنهاد دادم که این الگوها شبیه به ذرات آهنی هستند که در اطراف یک آهنربا منظم شده‌اند. کریستاها پر از خوشه‌های آهن-گوگرد هستند که شاید پارامغناطیسی باشند. اگر اینگونه باشد، شاید میدان‌های الکترومغناطیسی‌ای وجود داشته باشد که با جریان بار الکتریکی در کریستاها القا می‌شود؟ آیا آن‌ها می‌توانند کریستاها را ردیف کنند؟ تا به اینجا، این فرضیه به‌نظر بهترین راه برای توجیه نحوه ردیف شدن کریستاها در میتوکندری‌ها می‌آید. برای من، این همچنین درب تفکر درباره این که چگونه نیروهای فیزیک ممکن است به تکامل حیات چندسلولی—تا رسیدن به ما—کمک کرده باشند را باز کرد.

این کشف و افکاری که برانگیخت، دیدگاه من را نسبت به میتوکندری‌ها برای همیشه تغییر داد. صدها ساعت در زیر زمین تاریک که در آن میتوکندری‌ها را بررسی می‌کردم و همکاری‌های متعدد بعدی، به من یک درس مهم آموخت: میتوکندری‌ها اطلاعات را تبادل می‌کنند. اثر انگشت آن تبادل دقیقاً در الگوهای کریستاهای آن‌ها نهفته است. مطالعات بیشتر در دانشگاه تسوکوبا در ژاپن و جاهای دیگر، با استفاده از سلول‌هایی با سطوح مختلف اختلال میتوکندریایی ناشی از جهش‌های mtDNA، نشان داد که میتوکندری‌های سالم می‌توانند mtDNA سالم را به میتوکندری‌های جهش یافته اهدا کنند. در شرایط تأمین ناکافی انرژی، میتوکندری‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و به رشته‌های طولانی تبدیل می‌شوند تا mtDNA را به اشتراک بگذارند. میتوکندری‌های ایزوله بدون mtDNA یا با mtDNA جهش یافته می‌توانند به‌طور مشابه با میتوکندری‌های سالم ترکیب شوند و عملکرد طبیعی خود را بازیابند.

ترکیب نه تنها مقاومت میتوکندری‌ها را بلکه همچنین سلول‌ها را تقویت می‌کند؛ مداخله در این تعاملات منجر به میتوکندری‌های ایزوله‌ای می‌شود که نقص‌های mtDNA را انباشته کرده و سرانجام می‌میرند، به همراه سلول‌هایی که در آن‌ها زندگی می‌کنند. در افراد، کاهش سطح میتوفوزین ۲، پروتئینی که در غشاء خارجی میتوکندری قرار دارد و در ترکیب نقش دارد، با نورودژنراسیون همبستگی دارد. و موش‌هایی که میتوکندری‌هایی دارند که به‌طور مهندسی برای اختلال در ترکیب در هسته اوقیانوس بافراسلول، ناحیه‌ای از مغز که در تنظیم پاداش نقش دارد، طراحی شده‌اند، اضطراب بیشتری دارند.

آیا می‌تواند راه‌های دیگری وجود داشته باشد که میتوکندری‌ها ارتباط برقرار کنند؟ آیا آن‌ها می‌توانند مانند اجداد باکتریایی خود عمل نمایند، که بیوفیلم‌ها را می‌سازند و از چسبیدن غشایی، میدان‌های الکتریکی و مولکول‌های تخلیه شده برای همکاری و تسلط بر دنیای زنده با رفتارهای جمعی متنوع خود استفاده می‌کنند؟ آیا این ارتباط بین میتوکندری‌ها می‌تواند جهانی وسیع‌تر از تبادل انرژی و اطلاعات را فاش کند؟ آیا نقاط تماس میتوکندری و کریستاهای ردیف شده می‌توانند مثل سیناپس‌های عصبی عمل کنند، با این احتمال که جمعیت میتوکندری‌ای که در نهایت کنشگری به‌صورت یک مغز درون سلولی عمل خواهد کرد؟

در سال ۲۰۱۶، به محض اینکه آزمایشگاه خود را در دانشگاه کلمبیا راه‌اندازی کردم، دوباره به نیوکاسل بازگشتم تا از مرکز تحقیقات میتوکندریای داگ ترنبل دیدن کنم. دوباره در حال نشستن زیر میکروسکوپ الکترونی بودم، این‌بار به همراه یک دانشجوی فوق‌العاده بریتانیایی، امی وینسنت. ما در حال تصویربرداری از ماهیچه سم حیوانی با جهش mtDNA بودیم که منجر به بیماری میتوکندری نادری شد. تصادفاً، جهش او به جهش میتوکندری‌هایی که موش‌های مک‌منوس داشتند شباهت داشت.

آنچه وینسنت و من در آن بعدازظهر پیدا کردیم، دروازه جدیدتری از تحقیق را باز کرد. درست جلوی چشمان ما، نانو تونل‌های میتوکندریایی قرار داشت: برجستگی‌های غشایی نازک—همان نوعی که باکتری‌ها برای به اشتراک گذاشتن دی‌ان‌ای دایره‌ای خود استفاده می‌کنند! برای نخستین بار، وینسنت و من مشاهده کردیم که میتوکندری‌ها ساختارهای لوله‌ای نازک را به سمت یکدیگر ارسال می‌کنند، مانند دستانی که برخی از سلول‌های مجرد برای جستجوی محیط زیست مناسب یا یک سلول سالم استفاده می‌کنند. با تصویربرداری از ده‌ها نمونه ماهیچه دیگر، دریافتیم افرادی که میتوکندری‌های آن‌ها خوب کار نمی‌کند، نانو تونل‌های بیشتری دارند. انگار که میتوکندری‌های بیمار با جهش‌های mtDNA به کمک نیاز داشتند.

احتمالاً remarkable ترین جنبه جمعیت میتوکندریایی این است که میتوکندری‌ها از قسمت‌های مختلف بدن با یکدیگر صحبت می‌کنند و از هورمون‌ها به‌عنوان زبان خود استفاده می‌کنند. میتوکندری‌ها هورمون‌های استروئیدی تولید می‌کنند که ما برای زندگی و تولید مثل به آن‌ها نیاز داریم. کورتیزول، هورمونی که سطح گلوکز خون را برای تأمین انرژی در واکنش به استرس افزایش می‌دهد، در میتوکندری‌های غدد فوق کلیوی تولید می‌شود که بر روی کلیه‌ها قرار دارند. تستوسترون، استروژن و پروژسترون عمدتاً توسط میتوکندری‌های موجود در ارگان‌های تولید مثل سنتز می‌شوند. جالب است که میتوکندری‌های مغز دارای گیرنده‌هایی هستند که هورمون‌های استرس و جنسیتی را حس می‌کنند. بنابراین ما جمعی از میتوکندری‌ها داریم که به‌طور مستقیم از طریق خون، به میتوکندری‌های مغز پیام می‌دهند.

علاوه بر این، میتوکندری‌ها به‌طور یکسان ساخته نشده‌اند. به همان شیوه‌ای که انسان‌ها در نقش‌های اجتماعی و اقتصادی مختلف تخصص پیدا می‌کنند و ارگان‌ها به اجرای کارکردهای مکمل اختصاص می‌یابند (کبد به ارگان‌های دیگر غذا می‌دهد، قلب پمپ می‌کند، مغز اطلاعات را یکپارچه کرده و دستورات را صادر می‌کند)، میتوکندری‌ها نیز تخصص پیدا می‌کنند. در سراسر ارگان‌ها و انواع سلول‌ها، میتوکندری‌ها ظاهر متفاوتی دارند. محتوای پروتئینی آن‌ها متفاوت است. آن‌ها به‌طرز متفاوتی حرکت می‌کنند. و توانایی آن‌ها برای حس کردن، یکپارچه سازی و سیگنال‌دهی اطلاعات خاص، بسته به سلولی که در آن زندگی می‌کنند، متفاوت است. تخصص‌گرایی میتوکندریایی به احتمال زیاد مزایای کارایی را فراهم می‌آورد، به گونه‌ای که یک موجود بتواند در هزینه کل انرژی پایین‌تری زنده بماند.

همکاران من و من به تازگی نخستین نقشه میتوکندری‌ها در مغز انسان را ساخته‌ایم. حتی در این ارگان واحد نیز انواع مختلفی از میتوکندری‌ها در بخش‌های مختلف قشر و نواحی عمیق‌تر مغز وجود دارد. مغز ۲۰ درصد از انرژی بدن را مصرف می‌کند، در حالی که تنها ۲ درصد از توده بدن را تشکیل می‌دهد، بنابراین منبع کارآمدی از قدرت برای عملکرد آن حیاتی است. همکاران من، به‌ویژه میشل تیبوت د شوتن از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه و یوجین و. موشاروف از کلمبیا، و من دریافتیم که مناطق مغزی که به تازگی تکامل یافته‌اند و بالاترین میزان هزینه انرژی را دارند، میتوکندری‌هایی با تخصص بیشتر برای تبدیل انرژی دارند.

میتوکندری‌ها درون یک سلول نیز ممکن است بسیار متفاوت از یکدیگر به نظر برسند. برای مثال، در نورون‌ها، میتوکندری‌های “دندریتی” در الیاف یا دندریت‌هایی قرار دارند که از آن‌ها برای دریافت سیگنال از سلول‌های دیگر استفاده می‌کنند. این میتوکندری‌ها فیلامنت‌های پایداری هستند که بین ۱۰ تا ۳۰ میکرون طول دارند—که مسافتی فوق‌العاده طولانی برای این نوع ساختار است—و چندین کپی mtDNA دارند. میتوکندری‌های “محور عصبی” به‌طور افقی در امتداد محورهای خطی حرکت می‌کنند، که سیگنال‌ها را به سایر نورون‌ها هدایت می‌کنند، گویی که این‌ها بزرگراه‌های سلولی هستند. این میتوکندری‌ها معمولا کوتاه و چاق هستند (تا یک میکرون طول) و بسیاری از آن‌ها فاقد mtDNA هستند. میتوکندری‌های “سیتوپلاسمی” در اطراف هسته جمع می‌شوند و ظاهری بین دندریتی و محوری دارند. همان‌گونه که مشابه این جمع شدن و تخصص میتوکندری‌ها در سلول‌های ماهیچه و چربی وجود دارد.

این یافته‌ها، کلاً، موجب شد که من و دانشمند علوم رفتاری کارمن ساندی از مؤسسه فناوری فدرال سوئیس در سال ۲۰۲۱ ادعا کنیم که میتوکندری‌ها اندام‌های اجتماعی هستند. اگر شما مانند من هستید و وقتی عبارت “اجتماعی” را نسبت به یک اندامک زیرسلولی می‌شنوید ابرویتان بالا می‌رود، این یک واکنش نرمال است. با این حال، ساندی و من بر این باوریم که میتوکندری‌ها تمام ویژگی‌های موجودات اجتماعی را نشان می‌دهند—محیط مشترک درون سلول یا بدن، ارتباط، تشکیل گروه‌ها یا انواع، هم‌زمانی رفتار، وابستگی و تخصص در کارهایی که انجام می‌دهند.

در یک مقاله بعدی، که نیاز به مرور سخت و طولانی بیش از ۴۰۰ مطالعه داشت، اورین س. شیری‌های از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس و من ثابت کردیم که جمعیت میتوکندریایی به‌عنوان یک سیستم پردازش اطلاعات میتوکندریایی، یا MIPS عمل می‌کند. مانند حیواناتی که در آن‌ها زندگی می‌کنند و از آن‌ها حمایت می‌کنند، که باید به‌طور انعطاف‌پذیر به محیط پاسخ دهند، میتوکندری‌ها سیگنال‌ها را حس می‌کنند، این اطلاعات را در پتانسیل غشایی کریستاهای خود یکپارچه می‌سازند و سیگنال‌هایی تولید می‌کنند که ژن‌های سلول را تنظیم کرده و رفتار سلول را شکل می‌دهند.

چشمان شما نور را به امواج الکتریکی تبدیل می‌کنند که در میدان بصری شما تجلی می‌یابد، و گوش‌های شما امواج فشار هوا را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که در نهایت به عنوان صدا درک می‌شوند. به همان شکل، میتوکندری‌ها ده‌ها جریان اطلاعات هورمونی، متابولیکی، شیمیایی و دیگر را به پتانسیل غشایی الکتریکی خود تبدیل می‌کنند. این حالت “بیوانرژی” منجر به تولید مولکول‌های پیام‌رسان ثانویه‌ای می‌شود که برای هسته قابل درک باشد. بنابراین، به همان روشی که شما پیام‌ها را در تلفن همراه خود می‌خوانید، هسته سلول‌های شما می‌تواند از طریق MIPS اطراف آن، محیط را “بخواند”.

به‌جای اینکه نقش مکملی نظیر نقش شارژرهای باتری داشته باشند، میتوکندری‌ها بیشتر شبیه مادربرد سلول هستند. ژن‌ها در هسته بی‌حرکت نشسته‌اند تا زمانی که انرژی و پیام درست بیاید و برخی از آن‌ها را روشن کرده و برخی دیگر را خاموش کند. میتوکندری‌ها این پیام‌ها را ارائه می‌دهند و به زبان اپی‌ژنوم صحبت می‌کنند—لایه تنظیم‌پذیری که بر روی ژنوم نشسته و بیان آن را تنظیم می‌کند.

همکار من تیموتی شات از دانشگاه کلگری به میتوکندری‌ها لقب “مدیرعامل سلول” را می‌دهد: اندامک اجرایی ارشد. این استعاره به خوبی نشان می‌دهد که میتوکندری‌ها نه تنها در ادغام اطلاعات نقش دارند، بلکه دستورات نیز صادر می‌کنند. آن‌ها تعیین می‌کنند که آیا سلول تقسیم شود، تمایز یابد یا بمیرد. در واقع، میتوکندری‌ها حق وتوی زندگی یا مرگ سلول را دارند. اگر MIPS آن را ضروری بداند، مرگ سلولی برنامه‌ریزی شده یا آپوپتوز را راه‌اندازی می‌کند—شکلی از خود قربانی شدن برای منفعت بزرگ‌تر موجود.

میتوکندری‌ها به قدری حیاتی هستند که در زمان‌های سخت ممکن است سلول‌ها کل میتوکندری‌ها را به سلول‌های دیگر اهدا کنند. “در شرایط اضطراری سلولی، میتوکندری‌های تازه‌وارد می‌توانند شروع به تعمیر بافت، فعال کردن سیستم ایمنی یا نجات سلول‌های مضطرب از مرگ کنند”، خبرنگارجمما کانرو در یک خبر از “نیچر” در آوریل گذشته اشاره کرد. درون تومورها، سلول‌های سرطانی و سلول‌های ایمنی به‌نظر می‌رسد که برای میتوکندری‌ها رقابت می‌کنند و به‌عنوان نوعی سلاح بیولوژیکی از آن‌ها استفاده می‌کنند. فرصتی بین‌المللی که من در آن مشارکت داشتم، به رهبری جاناتان ر. برستوف از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، به‌تازگی یک واژگان کاملاً جدید برای راهنمایی در زمینه رو به رشد انتقال و پیوند میتوکندری‌ها ایجاد کرده است.

این همه بسیار خوب است، فکر می‌کنید. این همه چه معنایی برای سلامتی من دارد یا چه‌مدت قرار است زنده بمانم؟

پاسخ کوتاه این است که ممکن است همه چیز به سلامتی انسان مربوط باشد. دیابت، وضعیت‌های نورودژنراتیو، سرطان و حتی مشکلات روانی همگی به‌عنوان اختلالات متابولیک ناشی از عملکرد نامناسب میتوکندری‌ها در حال ظهور هستند. و این یافته‌ها به مسیرهای جدیدی برای مداخله اشاره می‌کنند.

میتوکندریا سلامت یا بیماری را به چندین راه هدایت می‌کنند. یکی از این راه‌ها ناشی از نقش آن‌ها به عنوان پردازنده‌های انرژی است. در یک مدار الکتریکی، اگر ولتاژ ورودی را بیش از حد زیاد کنیم، می‌توانیم آن را خراب کنیم. به همین ترتیب، اگر سلول‌های ما در معرض مقادیر زیادی گلوکز یا چربی قرار بگیرند—یا بدتر، هر دو با هم، که پزشکان به آن گلوکولیپوتوکسیتی می‌گویند—میتوکندری‌ها دستخوش فیزیشن می‌شوند و به تکه‌های کوچک تجزیه می‌شوند، نقص‌های mtDNA را انباشته کرده و سیگنال‌هایی تولید می‌کنند که جنبه‌های پیری یا مرگ زودهنگام سلول را آغاز می‌کنند. آزمایشات در سلول‌ها و موش‌ها نشان داده‌اند که جلوگیری دارویی یا ژنتیکی از فیزیشن میتوکندریایی که توسط گلوکز و چربی‌های اضافی ایجاد شده، می‌تواند از مقاومت به انسولین محافظت کند.

سرطان نیز ممکن است اختلالی در متابولیسم سلولی باشد. سلول‌های سرطانی می‌توانند بدون اکسیژن گلوکز بسوزانند، که نشان می‌دهد یا چیزی در میتوکندری‌های آن‌ها نادرست است یا آن‌ها ترجیح می‌دهند میتوکندری‌ها را برای استفاده در تقسیم سلولی و گسترش نگه دارند.

یک مسیر دیگر از طریق تأثیر میتوکندری‌ها بر بیان ژن است. سیگنال‌های میتوکندریایی بیشتر از ۶۶ درصد از ژن‌های کروموزوم‌های هسته‌ای را تغییر می‌دهند. با تغییر اینکه کدام ژن‌ها به چه میزان بیان می‌شوند، جهش‌های mtDNA می‌توانند به‌طور کامل ذات، رفتار و تحمل استرس سلول‌ها و در نهایت کل موجود زنده را تغییر دهند.

میتوکندری‌ها در زمان بیماری می‌توانند به طرز عجیبی به نظر برسند. در افرادی که نقص‌های mtDNA منجر به بیماری‌های میتوکندری نادری می‌شود، مانند فردی که به خاطر میتوکندری‌هایش نانو تونل‌ها را نخستین بار مشاهده کردیم، کریستاها به‌ویژه می‌توانند به طرز باورنکردنی عجیبی به نظر برسند—مانند دایره‌های کشت با زوایای منظم، و گنجایش پاراکرستال و دیگر اشکال عجیب.

غیرمعمولی بودن شکل و عملکرد میتوکندریایی به عنوان نشانگرهای بیولوژیکی و علل بالقوه اختلالات شناختی و نورودژنراتیوی مانند بیماری آلزایمر، بیماری پارکینسون و دیگر اختلالات در حال ظهور هستند. کلینیکی، زیرمجموعه‌ای از اختلالات طیف اوتیسم که شامل نقص‌های در زیست‌شناسی میتوکندری می‌شود، وجود دارد.

مسیر سوم التهاب است. هنگامی که سلول‌ها آسیب‌دیده یا تحت فشار قرار می‌گیرند، ممکن است mtDNA را به درون سلول، سیتوپلاسم یا حتی به خون نشت دهند. همراه با کارولین ترامف از دانشگاه کلمبیا، آنا مارسلند و برت کافمن از دانشگاه پیتسبرگ و دیگر همکاران، من دریافتیم که استرس ذهنی ناشی از حرف زدن در جمع برای پنج دقیقه در خون افزایش mtDNA آزاد شناور را به‌دنبال دارد. افرادی که در واحدهای مراقبت ویژه به شدت بیمار هستند، معمولاً سطوح بسیار بالای mtDNA را در خون خود دارند. از آنجا که حلقه‌های mtDNA شبیه به دی‌ان‌ای باکتریایی هستند، سلول‌های ایمنی آن‌ها را به عنوان پاتوژن شناخته و حمله‌ای را راه‌اندازی می‌کنند که می‌تواند به التهاب تبدیل شود. و از نظر کلینیکی، التهاب به شدت با شروع و پیشرفت میزبان گستره‌ای از شرایط مزمن مرتبط است.

چگونه میتوکندری‌های معیوب به بیماری در بدن و ذهن منجر می‌شوند، سوالی است که هنوز پاسخ آن پیدا نشده است. اما راه‌های ساده‌ای برای اطمینان از سلامت میتوکندری‌های ما وجود دارد. یکی از آن‌ها ورزش است. هنگامی که شما به‌طرز فعالی حرکت می‌کنید، سلول‌های شما انرژی را به سرعت مصرف می‌کنند و پتانسیل غشایی میتوکندری‌های شما را فعال می‌کنند. اگر ورزش شما شما را نفس‌زنان باقی بگذارد، نشان‌دهنده این است که میتوکندری‌های شما به شدت کار می‌کنند. زیرا موجود واحد میان مغز و بدن نسبت به پیش‌ناسایی و آماده‌سازی برای آینده تخصصی است، اگر شما به‌طرز فعالیتی که میتوکندری‌های شما را فعال می‌کند، حرکت کنید، بدن شما می‌اندیشد، “دفعه بعد که این اتفاق بیفتد، من آماده خواهم بود!” برای این‌کار، میتوکندری‌های بیشتری تولید می‌کند و آن‌ها را در بهترین حالت نگه‌می‌دارد.

جالب اینجاست که حتی روابط اجتماعی نیز ممکن است به سلامت میتوکندری‌های مغز ما کمک کند. در یک مطالعه بزرگ به رهبری دیوید آ. بنت از کالج پزشکی راش در شیکاگو، محققان از صدها فرد ۶۵ ساله و بالاتر در منطقه شیکاگو خواستند تا پرسشنامه‌هایی پر کنند، آزمون‌های شناختی انجام دهند و هر سال خون دهند تا به مرگ خود رسیدند. پس از مرگ، مغزهای آن‌ها جمع‌آوری شدند تا به آنالیز میتوکندری‌های آن‌ها پرداخته شود. همکار من ترامف از این داده‌ها استفاده کرد تا ببیند آیا حالات مثبت ذهنی مانند احساس هدف در زندگی، خوشبینی و حس ارتباط—یا به‌عکس، حالات منفی ذهنی مانند استرس، افسردگی و انزوا اجتماعی—می‌تواند با قابلیت میتوکندری‌ها در تبدیل انرژی مرتبط باشد.

آنچه ترامف یاد گرفت شگفت‌انگیز بود: میزان پروتئین‌های انرژی‌ساز میتوکندری‌ها در قشر پیشانی مغز به‌طور قابل توجهی با تعداد تجربیات مثبت و منفی که افراد در سال قبل از مرگشان گزارش کردند، همبستگی داشت. این یافته با مطالعات قبلی که روابط تلخی در زندگی اولیه یا نشانگرهای روحی روزانه مانند احساساتی از جمله عشق، نزدیکی یا اعتماد را به میتوکندری‌ها در سلول‌های ایمنی خون مرتبط می‌کند، هم‌راستا است. ممکن است حالت‌های ذهنی ما بر زیست‌شناسی میتوکندری‌ها تأثیر بگذارد و اثرگذار بر اینکه آن‌ها چقدر خوب انرژی را پردازش می‌کنند.

یک مداخله دیگر که می‌تواند شگفت آور مؤثر باشد، رژیم غذایی است. درمان کتون پزشکی یا “کتوز تغذیه‌ای”، که شامل حذف تمام شکرهای تصفیه‌شده، محدود کردن مصرف کربوهیدرات‌ها و جایگزینی تفاوت کالری با پروتئین و چربی‌های بیشتر است، نشان داده شده که می‌تواند مقاومت به انسولین و دیابت نوع ۲ را به‌طور پایدار معکوس کند. رژیم غذایی کتو به مدت چند دهه برای جلوگیری از تشنج‌ها و به این ترتیب “ثابت‌سازی” مغز در کودکان و بزرگسالان غیرقابل کنترل و به‌طور کلی درمان‌ناپذیر مورداستفاده قرار گرفته است. یک رژیم کتو حتی می‌تواند حالت ذهنی و عملکرد شناختی افراد مبتلا به آلزایمر را بهبود بخشد. این رژیم ثبات شبکه‌های مغزی را افزایش می‌دهد، معیاری از پیری مغز—و این ویژگی ممکن است توضیح دهد که چرا برخی از افراد در رژیم بهتر می‌خوابند.

رژیم کتو می‌تواند تأثیرات شگفت‌انگیز دیگری بر بیماری‌های دیگر داشته باشد، به‌ویژه با داستان لورن کندی وست، زنی کانادایی که در سن ۲۵ سالگی به اسکیزوفرنی و بیماری دوقطبی مبتلا شده بود. زندگی او به تدریج بسیار دشوار به نظر می‌رسید، “مانند اینکه هیچ فضایی برای من در جهان وجود نداشت”، او در یک حساب عاطفی از سفرش در سال گذشته در یوتیوب توضیح داد. در دسامبر ۲۰۲۳، وست درمان کیتونی‌ غذایی را آغاز کرد. چند هفته بعد، او متوجه شد که انرژی بیشتری دارد. بسیاری از علائم او کاهش یافته است. پس از گذشت حدود نه ماه او بدون علامت بود، داروهای خود را پایین آورده و به همکاری با تیم درمانی‌اش ادامه داد و به احساس بهتری دست یافت. در اواخر ۲۰۲۴، او آخرین دوز داروی ضد روان‌پریشی خود را مصرف کرد.

تجربه وست با نتایج اولیه مثبت از یک آزمایش پایلوت از ۲۱ نفر در حال تشخیص دوقطبی و اسکیزوفرنی هم‌راستا است. آزمایش‌های بالینی متعدد دیگری از رژیم کتو برای افراد مبتلا به اختلالات روانی شدید مانند اسکیزوفرنی، افسردگی، اضطراب و اختلال وسواس فکری-عملی در حال حاضر در سراسر جهان در حال انجام است. (بسیاری از این آزمایشات به کمک گروه باززنده‌ی «باسزکی» تأمین می‌شود، یک بنیاد خیریه که پس از درمان موفقیت‌آمیز ماتی باسزکی، پسر بنیان‌گذاران گروه با رژیم کتو به وجود آمده است. در سال ۲۰۲۴، من جایزه باسزکی در علم را دریافت کردم، که به تأمین مالی آزمایشگاه من در کلمبیا کمک کرد).

یک مطالعه جدید از ۲۸۹۹۵ نفر در ایالات متحده، ۴۴۸۴ نفر از آن‌ها که دارای علائم افسردگی قابل توجهی بودند، همچنین از اثرات حفاظتی رژیم‌های کم‌شکر بر سلامت روانی پشتیبانی می‌کند. افرادی که رژیم غذایی “بیشتر کتون دار” داشتند—کم در کربوهیدرات و شکر نسبت به چربی و پروتئین—کمتر از نصف احتمال داشت که دچار افسردگی شوند نسبت به افرادی که رژیم غذایی نسبتا غنی در شکر داشتند.

چگونه کار می‌کند؟ از منظر میتوتمرکز، رژیم کتونی سه کار انجام می‌دهد. اول، باعث تأمین یک منبع سوخت کارآمد از کبد می‌شود که به ارگان‌های دیگر در بدن غذا می‌دهد. اگر شما روزه بگیرید یا رژیم کتونی بخورید، کبد شما چربی‌های جذب شده از بدن یا غذا را گرفته و آن‌ها را به تکه‌های کوچکتری به نام بدن‌های کتونی تقسیم می‌کند. این فرایند در داخل میتوکندری‌های کبد اتفاق می‌افتد. دوم، پس از ورود به خون، بدن‌های کتونی به ارگان‌ها می‌رسند که برخی از آن‌ها، از جمله مغز، بدن‌های کتونی را به دیگر سوخت‌ها مانند گلوکز، پروتئین‌ها و چربی‌ها ترجیح می‌دهند. بنابراین در حضور منابع سوختی مختلف، مغز به‌طور انتخابی کتون‌ها را می‌سوزاند.

سومین نکته می‌تواند به کارایی ارتباط داشته باشد—و ممکن است توضیح دهد که چرا بدن‌های کتونی سوخت ترجیحی برای مغز هستند. گلوکز باید از موانع متعددی بگذرد تا به میتوکندری‌های نورونی برسد—اینکه از طریق آستروسی‌ت‌ها دور بزند، چندین غشای مختلف را عبور کند و از چند واکنش آنزیمی گذر کند. در مقابل، بدن‌های کتونی به‌طور مستقیم توسط میتوکندری‌ها در نورون‌ها جذب می‌شوند، جایی که می‌سوزند. این مسیر خیلی پیچیده‌تری ندارد.

بنابراین کتوزیس، یا سوزاندن بدن‌های کتونی، ممکن است اثرات خود را بر مغز با enabling ENERGY آتش یکسره بین میتوکندری‌ها به اثبات برساند. کتونی‌ها در خون شما یک جریان ارتباطی بین تولیدکننده و مصرف‌کننده‌های میتوکندریایی باز می‌کنند، اجتماعی بودن آن‌ها در سراسر بدن شما را ترویج می‌دهند.

هنگامی که ما به میتوکندری‌ها به عنوان پردازشگرهای دینامیک انرژی و اطلاعات نگاه می‌کنیم، دیدگاه کاملاً جدیدی از زندگی ایجاد می‌شود. خود را مانند یک آبشار تصور کنید. آبشار تنها به اندازه‌ای وجود دارد که مولکول‌های آب به پایین می‌ریزد. شما همان اندازه در مورد آبشار یاد می‌گیرید که وقتی تعدادی مولکول H₂O بی‌حرکت را جمع‌آوری می‌کنید در مورد این که چقدر یک فرد سالم است با توالی‌گیری ژنوم او یاد می‌گیرید: به هیچ‌وجه نزدیک به هیچ‌چیز.

آبشار را نمی‌توان از قسمت‌های آن درک کرد، تنها از حرکت آن. و زمانی که جریان متوقف شود، دیگر آبشاری وجود ندارد. آبشار چیزی نیست که ظاهر شده و ناپدید شود. این یک فرآیند است—فرآیندی که جاری می‌شود و متوقف می‌شود. مانند یک آبشار، شما چیزی نیستید. شما یک فرآیند هستید—یک فرآیند انرژی، به‌طور دقیق‌تر.

طبیعتاً انرژی شما دو نتیجه اصلی دارد. اولین نتیجه این است که به‌عنوان یک فرآیند پویا، حتمی است که تغییر کنید. بدنتان به طور مداوم سلول‌ها را فرومی‌گذارد، می‌کشد و می‌سازد. ذهن شما نیز تغییر می‌کند. برخی از بخش‌های ذهن شما، مانند شخصیت شما، نسبتاً پایدار هستند. اما در عین حال، آن نیز می‌تواند تغییر کند—برای مثال، وقتی شما “گرسنه زخمی” هستید و از نظر بهترین حالت قبل از خود خارج می‌شوید. این کمبود انرژی ذهن شما را تغییر می‌دهد.

برخی داروها می‌توانند ذهن شما را به طرز چشمگیری تغییر دهند. به‌عنوان مثال، داروهای توهم‌زا بر روی سیستم سروتونین عمل می‌کنند تا مغز انسان را از هم بپاشند. آن‌ها همچنین احساس خود یا “خود” را در هم می‌پاشند. الگوهای انرژی مغزی را تغییر دهد و ذهن نیز ممکن است به‌طور اساسی یک الگوی انرژی باشد. علاوه بر این، انرژی جاری در مغز شما به طریقی احساس می‌شود. به‌عنوان نیروشا موروگان از دانشگاه ویلفرید لوریر در انتاریو و من به‌تازگی در یک مقاله فرض کردیم، انسان‌ها ممکن است به تجربه خاصی در برابر مقاومت زیاد در برابر جریان انرژی متصل شده باشند. در حالی که در مقابل، جریان انرژی به‌صورت آسوده، مانند آنچه که پس از یک جلسه ورزشی لذت‌بخش یا زمانی که روی یک پروژه تحریک‌آمیز کار می‌کنید انجام می‌دهید، احساس خوبی دارد. وقتی جریان انرژی به مغز شما متوقف می‌شود—اگر قلب شما متوقف شود، به‌عنوان مثال—آگاهی خودآگاه شما به‌طور سریع محو می‌شود و شما دیگر نیستید.

آیا همه‌ی این‌ها چیزی مفید در مورد سوالات اولیه من می‌گوید؟ من گمان می‌کنم اکنون پاسخ‌ها را داریم. کلید زندگی و سلامت ممکن است بستگی به چگونگی روان بودن انرژی در میتوکندری‌های‌ شما با هر دم شما داشته باشد. بنابراین دفعه بعدی که از آن نوشیدنی شیرین جذاب صرف‌نظر کردید، به پیاده‌روی بروید، به باشگاه بروید یا تصمیم به گذراندن زمان با کسی که برایش اهمیت قائلید بگیرید، بدانید که شما دارید از میتوکندری‌های خود حمایت می‌کنید. جریان انرژی از طریق مجموعه میتوکندریایی شما ممکن است کلید بهداشت و زندگی معنادار باشد.

منبع