自从发现以来五十年，科学家们终于弄清楚了一种在细胞的“动力源”线粒体中发现的分子机器如何使我们能够从糖中制造所需的燃料，这一过程对地球上所有生命至关重要。科学家们已经确定了这种机器的结构，并展示了它如何像运河上的锁那样，将丙酮酸（是一种由糖分解在体内生成的分子）运输到我们的线粒体中。
剑桥大学医学研究委员会（MRC）线粒体生物学单位的科学家们已经搞清楚了这种机器的结构，并展示了它如何像运河上的锁那样将丙酮酸运输到我们的线粒体中。
这种被称为线粒体丙酮酸载体的分子机器，最早于1971年被提出存在，但科学家们直到现在才利用冷冻电子显微镜这一技术，能够以原子尺度观察其结构，该技术可以将物体图像放大至真实大小的约165,000倍。详细信息今天发表在《科学进展》上。
来自剑桥大学的高级研究助理Sotiria Tavoulari博士表示：“我们饮食中的糖为我们身体的运作提供能量。当它们在细胞内部被分解时，会产生丙酮酸，但为了充分利用这种分子，需要将其转移到细胞的动力源线粒体中。在那里，它帮助将产生的能量增加到以细胞燃料ATP的形式产生的15倍。”
海斯霍尔的博士生Maximilian Sichrovsky，也是这项研究的共同第一作者，表示：“将丙酮酸引入我们的线粒体听起来很简单，但到目前为止我们还不能理解这一过程的机制。使用最先进的冷冻电子显微镜，我们不仅能够展示这一运输者的外观，还能够准确地展示它是如何工作的。这是一个极其重要的过程，理解它可能会导致多种不同疾病的新治疗方案。”
线粒体被两层膜包围。外层膜是多孔的，丙酮酸可以轻易地通过，但内膜对丙酮酸是不可渗透的。为了将丙酮酸运输到线粒体内，首先载体的外‘门’打开，允许丙酮酸进入载体。然后这扇门关闭，内门打开，允许分子通过进入线粒体。
“它的工作原理就像运河上的锁，但在分子尺度上。”来自MRC线粒体生物学单位和剑桥大学三一学院的Edmund Kunji教授说。“那里，一端的门打开，允许船只进入。然后它关闭，另一端的门打开，以允许船只平稳通过。”
由于其在控制线粒体运行以产生能量方面的中心作用，这种载体现在被认为是多种疾病（包括糖尿病、脂肪肝病、帕金森病、某些癌症，甚至脱发）的有前景的药物靶点。
丙酮酸并不是我们可用的唯一能量来源。我们的细胞还可以从体内储存的脂肪或蛋白质中的氨基酸获取能量。阻止丙酮酸载体将迫使身体寻找其他能量来源，从而创造出治疗多种疾病的机会。例如，在脂肪肝病中，阻止丙酮酸进入线粒体，可能会促使身体利用已存储在肝细胞中的潜在危险脂肪。
同样，有些肿瘤细胞依赖于丙酮酸代谢，例如某些类型的前列腺癌。这些癌症通常非常“饥饿”，产生过量的丙酮酸运输载体，以确保它们能够获取更多。阻止这一载体则可以使这些癌细胞失去生存所需的能量，从而导致其死亡。
先前的研究也表明，抑制线粒体丙酮酸载体可能会逆转脱发。人类毛囊细胞的激活（负责头发生长）依赖于代谢，尤其是乳酸的生成。当线粒体丙酮酸载体在这些细胞中被阻止进入线粒体时，它会转化为乳酸。
Kunji教授说：“抑制载体功能的药物可以重塑线粒体的工作方式，这在某些情况下是有益的。电子显微镜使我们能够精确可视化这些药物如何在载体内部结合并阻塞它——可以说是带来麻烦的扳手。这为基于结构的药物设计创造了新机会，从而开发出更好、更具针对性的药物。这将是一个真正的游戏改变者。”
这项研究得到了医学研究委员会的支持，并与威斯康星医学院的Vanessa Leone教授、美国国家卫生研究院的Lucy Forrest教授和布鲁塞尔自由大学的Jan Steyaert教授的研究小组合作完成。
