Mitochondria także mają życie społeczne. Jeśli te centra energetyczne przetrwają, my również

Zawsze chciałem zrozumieć życie. Co nas napędza? Co pozwala goić się ranom i trwać? I co się psuje, gdy chorujemy, a w końcu przestajemy oddychać i umieramy? Moje poszukiwania odpowiedzi na te niesłychanie ambitne pytania, doprowadziły mnie, nie bez przyczyny jak teraz widać, do mitochondriów.

Na lekcjach biologii od szkoły średniej aż po studia uczono mnie, że mitochondria to małe obiekty znajdujące się w każdej komórce i pełniące funkcję „elektrowni”, łączące tlen i związki odżywcze, by wytworzyć energię dla organizmu. To wyobrażenie mitochondriów jako małych akumulatorów z wbudowaną ładowarką – równie interesujących jak ten w moim telefonie – zupełnie nie przygotowało mnie na spotkanie z ich rzeczywistą, żywotną naturą, gdy w 2011 roku zobaczyłem je po raz pierwszy pod mikroskopem. Były świetliste dzięki świecącemu barwnikowi, który w nie wprowadziłem, i dynamiczne – nieustannie się poruszały, rozciągały, zmieniały kształt, dotykały nawzajem. Były piękne. Tamtej nocy, samotny doktorant w ciemnym laboratorium w Newcastle upon Tyne w Anglii, stałem się mitochondriakiem: uzależniłem się od mitochondriów.

Głęboka intuicja biolog Lynn Margulis pomogła mi zrozumieć to, co widziałem. W 1967 roku wysunęła ona hipotezę, że mitochondria pochodzą od bakterii, którą około 1,5 mld lat temu pochłonęła większa komórka przodków. Zamiast strawić tę zdobycz, większa komórka pozwoliła jej dalej żyć w swoim wnętrzu. Margulis nazwała to zdarzenie endosymbiozą, czyli mniej więcej „wspólnym życiem lub pracą od środka”. Komórka gospodarza nie miała źródła energii wykorzystującego tlen – który, dzięki roślinom, był już obficie obecny w atmosferze; mitochondria wypełniły tę lukę. To niezwykłe połączenie pozwoliło komórkom komunikować się i współpracować, poszerzyć świadomość poza własne granice oraz umożliwiło powstanie bardziej złożonych, wielokomórkowych organizmów. Mitochondria uczyniły komórki społecznymi, wiążąc je kontraktem, zgodnie z którym przetrwanie każdej z nich zależy od wszystkich pozostałych – i w ten sposób umożliwiły istnienie nas samych.

Co zadziwiające i co odkryliśmy wraz ze współpracownikami, same mitochondria są istotami społecznymi. A przynajmniej zapowiadają społeczne zachowania. Podobnie jak bakteria, od której pochodzą, mają cykl życiowy: stare obumierają, a nowe rodzą się z już istniejących. Społeczności tych organelli żyją w każdej komórce, zwykle skupione wokół jądra. Mitochondria komunikują się zarówno wewnątrz swojej komórki, jak i z innymi komórkami, podając sobie „ręce” w potrzebie i ogólnie pomagając całej społeczności się rozwijać. Produkują ciepło, które utrzymuje nasze ciała w odpowiedniej temperaturze. Odbierają sygnały dotyczące cech środowiska, w którym żyjemy, takie jak poziom zanieczyszczeń powietrza czy czynniki stresowe, a następnie integrują te informacje i wysyłają sygnały w postaci cząsteczek regulujących procesy w komórce, a nawet w całym organizmie.

Kiedy nasze mitochondria mają się dobrze, my również. Gdy funkcjonują nieprawidłowo – na przykład gdy ich zdolność do przekształcania energii w formy wymagane do reakcji biochemicznych jest upośledzona – możemy doświadczać schorzeń tak różnorodnych, jak cukrzyca, rak, autyzm czy choroby neurodegeneracyjne. A ponieważ mitochondria gromadzą defekty w ciągu życia pełnego stresu i innych problemów, przyczyniają się do starzenia się organizmu i ostatecznie jego śmierci. Aby zrozumieć te procesy – by pojąć, jak utrzymać zdrowie fizyczne i psychiczne – trzeba zrozumieć, jak energia przepływa przez nasze ciała i umysły. To wymaga uważniejszego przyjrzenia się mitochondriom i ich życiu społecznemu.

Na długo zanim ujrzałem mitochondria po raz pierwszy, poznałem podstawy ich struktury i biologii. Dziedziczymy mitochondria po matce – a precyzyjniej, z komórki jajowej. Mitochondria mają własne DNA, obejmujące zaledwie 37 genów, w porównaniu z tysiącami genów w chromosomach w jądrze komórkowym. Ten pierścień mitochondrialnego DNA, czyli mtDNA, jest chroniony przez dwie błony. Zewnętrzna, przypominająca skórkę kiełbasy, otacza mitochondrium i selektywnie wpuszcza lub wypuszcza cząsteczki. Wewnętrzna składa się z gęsto upakowanych białek i ma wiele fałd, zwanych grzebieniami (cristae), które stanowią miejsce reakcji chemicznych, podobnie jak płyty w akumulatorze kwasowo-ołowiowym.

W latach 60. brytyjscy biochemicy Peter Mitchell i Jennifer Moyle odkryli, że elektrony pochodzące z węgla w pożywieniu łączą się z tlenem w grzebieniach, uwalniając iskrę energii, która jest przechwytywana jako gradient napięcia elektrycznego przez błonę. To napięcie zapewnia siłę napędową wszystkich procesów w ciele i mózgu – od ogrzewania, przez wytwarzanie cząsteczek, po myślenie. Mitochondria produkują również cząsteczkę zwaną adenozynotrójfosforanem (ATP), która służy jako molekularny nośnik energii, napędzając setki reakcji biochemicznych w każdej komórce.

Po powrocie z Wielkiej Brytanii rozpocząłem staż podoktorski u genetyka i biologa ewolucyjnego Douglasa Wallace’a w Center for Mitochondrial and Epigenomic Medicine w Children’s Hospital of Philadelphia. W 1988 roku Wallace odkrył pierwsze w historii powiązanie między mutacją w mtDNA a chorobą u człowieka. Następnie zmapował fundamentalne związki biologii mitochondrialnej z różnymi chorobami i procesem starzenia, kładąc podwaliny pod dziedzinę medycyny mitochondrialnej. W Filadelfii zacząłem współpracę z inną postdoktorantką, Meagan McManus, która chciała zrozumieć, w jaki sposób wadliwe mitochondria powodują choroby sercowo-naczyniowe i neurologiczne. McManus poprosiła mnie, abym sfotografował za pomocą mikroskopu elektronowego mitochondria w sercach myszy z określoną mutacją mtDNA prowadzącą do niewydolności serca.

Nasz zespół eksperymentował także z trójwymiarowym obrazowaniem z użyciem tomografii elektronowej – tej samej techniki, która pozwala radiologowi oglądać narządy wewnętrzne pacjenta w 3D. Kilka tygodni później dyrektor tego projektu, Dewight Williams z University of Pennsylvania, zaprowadził mnie do pomieszczenia, w którym stał wart milion dolarów tomograficzny mikroskop – wysoki aż po sufit – aby pokazać mi zrekonstruowane filmy przedstawiające mitochondria.

Dzięki tomografii zobaczyliśmy grzebienie w trzech wymiarach. Niektóre mitochondria w sercach chorych myszy miały poszarpane, bardzo nieregularne grzebienie – ten niezdrowy wygląd widziałem już na obrazach 2D. Ale w trójwymiarze pojawiło się coś, czego nigdy nie widzieliśmy na płaskich obrazach: nawet wtedy kiedy mitochondria wyglądały niezdrowo, ich grzebienie wyglądały prawidłowo w miejscach, w których mitochondria się ze sobą stykały. Oddziaływały na siebie, pomagały sobie nawzajem w utrzymaniu wewnętrznej organizacji. Te połączenia mito-mito miały też więcej grzebieni niż jakakolwiek inna część tego samego mitochondrium. „Meagan musi to zobaczyć!” – pomyślałem i pobiegłem do laboratorium po drugiej stronie kampusu.

Gdy ponownie włączyłem film dla McManus, relacjonowałem to, co widziałem kilka minut wcześniej: „Mitochondria wpływają na siebie nawzajem!”. Obejrzeliśmy zapętlone nagranie kilka razy. Wtedy McManus powiedziała napiętym z ekscytacji głosem: „I grzebienie się wyrównują! Wyrównują się między mitochondriami!”. Narysowała palcem linię wzdłuż połączenia.

Przejrzałem tysiące obrazów z mikroskopów elektronowych uzyskanych przez najlepszych specjalistów. Nigdy nie słyszałem o tym, by grzebienie w jednym mitochondrium wyrównywały się z grzebieniami innego mitochondrium. W Newcastle czytałem artykuł z 1983 roku autorstwa rosyjskich naukowców Lory E. Bakeevej i Vladimira P. Skulacheva, opisujący „kontakty międzymitochondrialne”, i wykazałem, że kontakty te zwiększają się po wysiłku fizycznym – być może zwiększając wydajność energetyczną. Jak mogliśmy przeoczyć to wyrównywanie? A jednak zamiast tkwić tam jak równoległe płytki, jak przedstawiają to podręczniki, grzebienie tworzyły równoległe falujące wstęgi przechodzące przez mitochondria. Wyglądało to niemal tak, jakby grzebienie pomagały sąsiadom się organizować i osiągnąć typowy, zdrowy, regularny układ.

Na kolejnym spotkaniu zespołu laboratorium zasugerowałem, że te wzory wyglądają jak opiłki żelaza wokół magnesu. Grzebienie są pełne centrów żelazowo-siarkowych, które mogą być paramagnetyczne. Jeśli tak jest, być może wyrównywanie grzebieni mogło być skutkiem działania pól elektromagnetycznych indukowanych przez przepływ ładunku elektrycznego. Czy mogły zmuszać grzebienie do ustawiania się w linii? Do tej pory ta hipoteza wydaje się najlepszym wyjaśnieniem tego, jak grzebienie wyrównują się między mitochondriami. A mnie skłoniła także do myślenia o tym, w jaki sposób fizyczne siły mogły przyczynić się do ewolucji życia wielokomórkowego – aż do powstania ludzi.

To odkrycie i refleksja, którą wzbudziło, na zawsze zmieniły mój sposób patrzenia na mitochondria. Po setkach godzin w ciemnym pomieszczeniu, w którym badałem mitochondria, i współpracy z licznymi badaczami nauczyłem się jednej ważnej rzeczy: mitochondria wymieniają informacje. Świadectwem tej wymiany była konfiguracja grzebieni. Dalsze badania m.in. na Uniwersytecie w Tsukubie w Japonii, z użyciem komórek o różnym stopniu dysfunkcji mitochondrialnej spowodowanej mutacjami mtDNA, wykazały, że zdrowe mitochondria mogą przekazywać nienaruszone mtDNA mitochondriom zmutowanym. W warunkach ograniczonej podaży energii mitochondria łączą się ze sobą w długie pasma, aby dzielić się mtDNA. Izolowane mitochondria pozbawione mtDNA lub z mutacjami mtDNA mogą w podobny sposób łączyć się ze zdrowymi mitochondriami, w celu przywrócenia sobie prawidłowego funkcjonowania.

Fuzja zwiększa odporność nie tylko mitochondriów, lecz także komórek; zakłócenie tych interakcji prowadzi do izolacji mitochondriów, które gromadzą defekty mtDNA i ostatecznie obumierają – wraz z komórkami, w których żyją. U ludzi obniżony poziom mitofuzyny 2, białka zlokalizowanego w zewnętrznej błonie mitochondrialnej i wspomagającego fuzję, koreluje z neurodegeneracją. A myszy, u których inżynieryjnie utrudniono fuzję mitochondriów w jądrze półleżącym – obszarze mózgu zaangażowanym w regulację nagrody – są bardziej lękliwe.

Czy mogą istnieć jeszcze inne sposoby komunikacji mitochondriów? Czy mogą działać jak ich bakteryjni przodkowie, którzy tworzą biofilmy i wykorzystują wypustki błonowe, pola elektryczne oraz wydzielane cząsteczki, aby współpracować i podbijać świat, dzięki swojej wszechstronności? Czy mitochondrialna komunikacja może ujawnić szerszy wewnętrzny wszechświat wymiany energii i informacji? Czy mitochondrialne połączenia i wyrównane grzebienie mogą funkcjonować jak synapsy neuronalne, a powstała w ten sposób mitochondrialna zbiorowość – zachowywać się zasadniczo jak wewnątrzkomórkowy mózg?

W 2016 roku, niedługo po uruchomieniu własnego laboratorium na Columbia University, znów byłem w Newcastle, odwiedzając Wellcome Center for Mitochondrial Research Douga Turnbulla. Siedziałem ponownie przy mikroskopie elektronowym, tym razem z wybitną brytyjską doktorantką, Amy Vincent. Obrazowaliśmy próbki mięśnia z łydki kobiety z mutacją mtDNA powodującą rzadką chorobę mitochondrialną. Przypadkowo jej mutacja była podobna do tej, którą miały myszy badane przez McManus.

To, co Vincent i ja odkryliśmy tamtego popołudnia, wytyczyło nową ścieżkę badań. Ujrzeliśmy mitochondrialne nanokanały: cienkie wypustki błonowe – dokładnie takie, jakich bakterie używają do wymiany swojego kolistego DNA! Po raz pierwszy u ludzi zobaczyliśmy z Vincent, że mitochondria wysyłają ku sobie cienkie, rurkowate struktury, niczym czułki, jakich używają niektóre samotne komórki, aby poszukiwać bardziej sprzyjającego środowiska albo zdrowej, sąsiedniej komórki. Analizując dziesiątki innych próbek mięśni, odkryliśmy, że osoby, których mitochondria działają źle, mają więcej nanokanałów. Jak gdyby chore mitochondria z mutacjami mtDNA wyciągały rękę po pomoc.

Być może jednak najbardziej niezwykłym aspektem mitochondrialnej zbiorowości jest to, że mitochondria z różnych części ciała komunikują się ze sobą, używając hormonów jako języka. Mitochondria produkują hormony steroidowe potrzebne do podtrzymywania i rozmnażania. Kortyzol, hormon zwiększający poziom glukozy we krwi, aby zasilić reakcję stresową, powstaje w mitochondriach nadnerczy położonych na nerkach. Testosteron, estrogen i progesteron są syntetyzowane głównie przez mitochondria w narządach rozrodczych. Co ciekawe, mitochondria mózgowe mają receptory zdolne wykrywać zarówno hormony stresu, jak i hormony płciowe. A zatem mamy populację mitochondriów w nadnerczach, które wysyłają sygnały bezpośrednio – poprzez krew – do mitochondriów w mózgu.

Co więcej, mitochondria nie są jednakowe. Tak jak ludzie rozwijają specjalizacje w różnych rolach społecznych i gospodarczych, a narządy wyspecjalizowały się w wykonywaniu komplementarnych funkcji (wątroba żywi inne narządy, serce pompuje, mózg integruje informacje i wydaje polecenia), tak i mitochondria się specjalizują. W różnych narządach i typach komórek mitochondria wyglądają inaczej. Różnią się zawartością białek. Inaczej się poruszają. A ich zdolność do wykrywania, integrowania i przekazywania określonych informacji zależy od komórki, w której się znajdują. Ta specjalizacja mitochondriów prawdopodobnie zwiększa wydajność, pozwalając organizmowi przetrwać przy niższym całkowitym koszcie energetycznym.

Niedawno wraz ze współpracownikami stworzyliśmy pierwszą mapę mitochondriów w ludzkim mózgu. Nawet w obrębie tego jednego narządu istnieją różne typy mitochondriów w różnych częściach kory mózgowej oraz w głębszych strukturach podkorowych. Mózg zużywa 20% energii organizmu, mimo że stanowi zaledwie 2% jego masy, więc wydajne źródło energii jest kluczowe dla jego funkcjonowania. Moi koledzy – w szczególności Michel Thiebaut de Schotten z francuskiego Centre national de la recherche scientifique (CNRS) oraz Eugene V. Mosharov z Columbia University – i ja odkryliśmy, że młodsze ewolucyjnie obszary mózgu, o najwyższym wykorzystaniu energii, cechują mitochondria silniej wyspecjalizowane w transformacji energii.

Mitochondria wewnątrz pojedynczej komórki również mogą bardzo się od siebie różnić. Na przykład w neuronach „dendrytyczne” mitochondria znajdują się we włóknach – dendrytach – którymi neurony odbierają sygnały od innych komórek. Te mitochondria są stabilnymi strukturami rozciągającymi się na 10–30 μm – to ogromna długość dla takich struktur – i zawierają wiele kopii mtDNA. „Aksonalne” mitochondria poruszają się wzdłuż liniowych aksonów, przewodzących sygnały do innych neuronów niczym po komórkowych autostradach. Są na ogół krótkie i pękate (do jednego mikrometra długości), a wiele z nich nie ma mtDNA. „Cytoplazmatyczne” mitochondria gromadzą się wokół jądra komórkowego i wyglądają jak coś pomiędzy typem dendrytycznym a aksonalnym. Podobne grupowanie i specjalizacja mitochondriów występują w komórkach mięśniowych i tłuszczowych.

Te ustalenia skłoniły mnie i neurobiolożkę behawioralną Carmen Sandi z École Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii do wysunięcia w 2021 roku hipotezy, że mitochondria są organellami społecznymi. Jeśli podobnie jak mnie dziwi cię określenie „społeczne” w odniesieniu do organellum subkomórkowego, to jest to w pełni uzasadnione. Niemniej jednak wraz z Sandi argumentujemy, że mitochondria wykazują wszystkie cechy istot społecznych – wspólne środowisko wewnątrz komórki lub organizmu, komunikację, tworzenie grup lub typów, synchronizację zachowań, współzależność oraz specjalizację wykonywanych zadań.

W kolejnej pracy, która wymagała mozolnego przeglądu ponad 400 badań, wraz z Orianem S. Shirihai z University of California w Los Angeles ustaliliśmy, że mitochondrialna zbiorowość funkcjonuje jako mitochondrialny system przetwarzania informacji (mitochondrial information-processing system, MIPS). Tak jak zwierzęta, w których mitochondria żyją i które wspierają, muszą elastycznie reagować na środowisko, tak mitochondria wykrywają sygnały, integrują tę informację w potencjale błonowym swoich grzebieni i produkują sygnały regulujące geny komórki i kształtujące jej zachowanie.

Twoje oczy przekształcają światło w impulsy elektryczne, które scalają się w obraz pola widzenia, a twoje uszy przekształcają fale ciśnienia powietrza w impulsy elektryczne, które ostatecznie odbierasz jako dźwięki. Podobnie mitochondria przekształcają dziesiątki strumieni – hormonalnych, metabolicznych, chemicznych i innych – w swój potencjał błonowy. Ten „bioenergetyczny” stan prowadzi następnie do produkcji cząsteczek wtórnych przekaźników, zrozumiałych dla jądra komórkowego. Tak jak ty odczytujesz wiadomości na swoim telefonie, który odbiera sygnały, przetwarza je i wyświetla zrozumiałe informacje na ekranie, tak jądro komórki może „czytać” środowisko przez otaczający je MIPS.

Mitochondria nie pełnią w komórce funkcji pomocniczej, jak ładowarki baterii, są bardziej jej płytą główną. Geny w jądrze pozostają bezczynne, dopóki nie pojawi się energia i odpowiedni sygnał, aby włączyć jedne, a inne wyłączyć. Mitochondria dostarczają te sygnały, posługując się językiem epigenomu – zestawu „przełączników” genów regulujących ich ekspresję w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne.

Mój kolega Timothy Shutt z University of Calgary lubi nazywać mitochondria „CEO komórki”: naczelnym organellum wykonawczym. Ta metafora oddaje, jak mitochondria nie tylko integrują informacje, ale także wydają polecenia. Dyktują, czy komórka ma się dzielić, różnicować czy umierać. W istocie mitochondria mają prawo weta wobec życia lub śmierci komórki. Jeśli MIPS uzna to za konieczne, wywołuje programowaną śmierć komórki, czyli apoptozę – formę poświęcenia się dla dobra organizmu.

Mitochondria są tak istotne, że w trudnych czasach komórki mogą przekazywać je w całości. „W nagłych sytuacjach komórkowych nowo przybyłe mitochondria mogą zapoczątkować naprawę tkanek, pobudzić układ odpornościowy lub uratować zestresowane komórki przed śmiercią” – napisała dziennikarka Gemma Conroy w artykule informacyjnym w „Nature” w kwietniu 2024 roku. W guzach nowotworowych komórki rakowe i komórki odpornościowe zdają się konkurować o mitochondria, używając ich jako rodzaju broni biologicznej. W ramach międzynarodowego przedsięwzięcia, w którym uczestniczyłem, kierowanego przez Jonathana R. Brestoffa z Washington University School of Medicine w St. Louis, opracowano niedawno zupełnie nowy leksykon, mający ukierunkować rozwijającą się dziedzinę transferu i transplantacji mitochondriów.

W porządku, możesz pomyśleć. Ale co to wszystko oznacza dla mojego zdrowia albo dla tego, jak długo będę żyć?

Krótka odpowiedź brzmi: to może być fundamentalne. Cukrzyca, choroby neurodegeneracyjne, rak, a nawet zaburzenia zdrowia psychicznego zaczynają wyłaniać się jako zaburzenia metaboliczne związane z nieprawidłowo funkcjonującymi mitochondriami. A te odkrycia wskazują nowe kierunki interwencji.

Mitochondria odpowiadają za zdrowie – lub chorobę – na kilka sposobów. Jeden z nich wynika z ich roli przetwórców energii. W obwodzie elektrycznym, jeśli zbytnio podkręcimy napięcie wejściowe, możemy go spalić. Podobnie, jeśli nasze komórki są narażone na nadmiar glukozy lub tłuszczu – albo, co gorsza, obu naraz, co lekarze określają jako glukolipotoksyczność – mitochondria ulegają rozszczepieniu i rozpadają się na drobne fragmenty, gromadzą defekty mtDNA i wytwarzają sygnały, które ostatecznie prowadzą do przedwczesnego starzenia się lub śmierci komórki. Eksperymenty na komórkach i na myszach wykazały, że farmakologiczne lub genetyczne zapobieganie mitochondrialnemu rozszczepieniu wywołanemu nadmiarem glukozy i tłuszczów może chronić przed insulinoopornością.

Rak również może być zaburzeniem metabolizmu komórkowego. Komórki nowotworowe potrafią spalać glukozę bez udziału tlenu, co sugeruje albo że coś jest nie tak z ich mitochondriami, albo że wolą „zarezerwować” mitochondria na potrzeby podziału komórkowego – i proliferacji.

Drugi szlak oddziaływania prowadzi przez wpływ mitochondriów na ekspresję genów. Sygnały mitochondrialne zmieniają ekspresję ponad 66% genów znajdujących się w chromosomach jądrowych. Poprzez modyfikowanie tego, które geny i w jakim stopniu są aktywne, mutacje w mtDNA mogą całkowicie zmienić naturę, zachowanie i odporność na stres komórek, a ostatecznie całego organizmu.

Mitochondria mogą wyglądać naprawdę dziwnie, gdy są chore. U osób z defektami mtDNA, które powodują rzadkie choroby mitochondrialne – takich jak kobieta, u której w mitochondriach po raz pierwszy zaobserwowaliśmy nanokanały – szczególnie grzebienie (cristae) mogą wyglądać niemal obco: jak kręgi zbożowe, parakrystaliczne inkluzje i inne dziwne kształty. Co istotne, nieprawidłowy kształt i funkcja mitochondriów wyłaniają się jako biomarkery i potencjalne przyczyny zaburzeń poznawczych oraz neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Kliniczny obraz neurobiologicznego podtypu zaburzeń ze spektrum autyzmu obejmuje defekty w biologii mitochondriów.

Trzeci szlak to stan zapalny. Kiedy komórki są uszkodzone lub zestresowane, mogą uwalniać mtDNA do wnętrza komórki, czyli cytoplazmy, a nawet do krwi. Wraz z Caroline Trumpff z Columbia University, Anną Marsland oraz Brettem Kaufmanem z University of Pittsburgh i innymi współpracownikami odkryłem, że stres psychiczny wywołany koniecznością wygłoszenia pięciominutowej wypowiedzi publicznej zwiększa ilość swobodnie pływającego mtDNA we krwi. Osoby bardzo ciężko chore, przebywające na oddziałach intensywnej terapii, mają tendencję do bardzo wysokich poziomów mtDNA we krwi. Ponieważ pierścienie mtDNA przypominają bakteryjne DNA, komórki odpornościowe widzą je jako patogeny i uruchamiają atak, który może przekształcić się w stan zapalny. A zapalenie, co dobrze wiedzą klinicyści, jest związane z początkiem i postępem wielu przewlekłych schorzeń.

W jaki dokładnie sposób wadliwe mitochondria prowadzą do chorób ciała i umysłu – to pytanie wciąż pozostaje bez odpowiedzi. Są jednak proste sposoby, aby utrzymać mitochondria w dobrej kondycji. Jednym z nich jest ruch. Gdy energicznie się poruszasz, twoje komórki szybko zużywają energię, „podkręcając” potencjał błonowy twoich mitochondriów. Jeśli ćwiczenie pozbawia cię tchu, to znak, że twoje mitochondria intensywnie pracują. Ponieważ układ ciało–mózg jest mistrzem w przewidywaniu i przygotowywaniu się na przyszłość, jeśli ruszasz się w sposób aktywujący mitochondria, twoje ciało myśli: „Następnym razem będę na to gotowe!”. Aby się przygotować, tworzy więcej mitochondriów i utrzymuje je w jak najlepszej formie.

Co zaskakujące, także relacje społeczne mogą sprzyjać zdrowiu mitochondriów w naszym mózgu. W dużym badaniu kierowanym przez Davida A. Bennetta z Rush Medical College w Chicago naukowcy poprosili setki osób w wieku 65 lat i starszych z rejonu Chicago o wypełnianie ankiet, wykonywanie testów poznawczych i oddawanie krwi każdego roku aż do śmierci. Po śmierci pobierano ich mózgi, aby móc zbadać mitochondria. Moja współpracowniczka, Trumpff, wykorzystała te dane, aby sprawdzić, czy pozytywne stany psychiczne – takie jak poczucie celu w życiu, optymizm i poczucie więzi – lub przeciwnie, negatywne stany psychiczne – takie jak stres, depresja i izolacja społeczna – mogą być powiązane ze zdolnością mitochondriów do przetwarzania energii.

To, czego się dowiedziała, było niezwykłe: ilość białek przekształcających energię w mitochondriach kory przedczołowej była istotnie skorelowana z liczbą pozytywnych i negatywnych doświadczeń zgłaszanych przez ludzi w roku poprzedzającym śmierć. Wynik ten był zgodny z wcześniejszymi badaniami łączącymi wczesne przeciwności życiowe lub codzienne wskaźniki nastroju – takie jak uczucie miłości, bliskości czy zaufania – z mitochondriami w komórkach odpornościowych krwi. Nasze stany umysłu mogą wpływać na biologię naszych mitochondriów, modulując to, jak efektywnie przetwarzają energię.

Inną interwencją, która może być wyjątkowo skuteczna, jest dieta. Medyczna terapia ketogeniczna, czyli „ketoza żywieniowa”, polegająca na całkowitym wyeliminowaniu rafinowanych cukrów, ograniczeniu spożycia węglowodanów oraz uzupełnieniu różnicy kalorycznej większą ilością białek i tłuszczów, potrafiła trwale odwrócić insulinooporność i cukrzycę typu 2. Dieta ketogeniczna była przez dziesięciolecia stosowana w celu zapobiegania napadom padaczkowym i tym samym „stabilizowania” mózgu u dzieci i dorosłych z padaczką lekooporną i nieuleczalną innymi metodami. Dieta ketogeniczna może nawet poprawić stan psychiczny i funkcje poznawcze osób z chorobą Alzheimera. Zwiększa stabilność sieci mózgowych – marker starzenia się mózgu – a funkcja ta może tłumaczyć, dlaczego niektóre osoby na tej diecie lepiej sypiają.

Dieta ketogeniczna może dawać zadziwiające efekty także w innych chorobach, czego przykładem jest historia Lauren Kennedy West, Kanadyjki, u której w wieku 25 lat zdiagnozowano schizofrenię i chorobę afektywną dwubiegunową. Życie stawało się dla niej coraz trudniejsze, „jakby nie było dla mnie miejsca na świecie” – mówiła w poruszającej relacji opublikowanej na YouTube w ubiegłym roku. W grudniu 2023 West rozpoczęła ketogeniczną terapię żywieniową. Kilka tygodni później zauważyła, że ma więcej energii. Wiele objawów złagodniało. Po około dziewięciu miesiącach była wolna od objawów, w porozumieniu ze swoimi lekarzami odstawiła część leków i nadal czuła się coraz lepiej. Pod koniec 2024 roku przyjęła ostatnią dawkę leków przeciwpsychotycznych.

Doświadczenie West odzwierciedla początkowe pozytywne wyniki pilotażowego badania obejmującego 21 osób z chorobą dwubiegunową i schizofrenią. Na całym świecie trwają liczne inne badania kliniczne dotyczące stosowania diety ketogenicznej u osób z ciężkimi zaburzeniami psychicznymi, takimi jak schizofrenia, depresja, lęk i zaburzenie obsesyjno-kompulsyjne. (Wiele z tych badań finansuje Baszucki Group, fundacja filantropijna założona po tym, jak Matt Baszucki, syn jej fundatorów, skutecznie wyleczył swoją chorobę dwubiegunową dietą ketogeniczną. W 2024 roku otrzymałam nagrodę Baszucki Prize in Science, która pomaga finansować moje laboratorium na Columbia University).

Nowe badanie obejmujące 28 995 osób w USA, z których 4484 miało znaczące objawy depresji, również potwierdza ochronne działanie diet niskocukrowych na zdrowie psychiczne. Osoby, których dieta była „bardziej ketogeniczna” – uboga w węglowodany i cukry w porównaniu z lipidami i białkami – ryzyko rozwoju depresji w porównaniu z osobami, których dieta była stosunkowo bogata w cukry, było połowę mniejsze.

Jak to działa? Z perspektywy „mitocentrycznej” dieta ketogeniczna robi trzy rzeczy. Po pierwsze, prowadzi do dostarczania przez wątrobę wydajnego źródła paliwa, które odżywia inne narządy organizmu. Jeśli pościsz lub stosujesz dietę ketogeniczną, twoja wątroba pobiera tłuszcze z twojej tkanki tłuszczowej lub pożywienia i rozkłada je na mniejsze cząsteczki zwane ciałami ketonowymi. Proces ten zachodzi wewnątrz mitochondriów wątroby. Po drugie, po przedostaniu się do krwi, ciała ketonowe docierają do narządów, z których niektóre – w tym mózg – preferują je jako paliwo w porównaniu z glukozą, białkami czy tłuszczami. A więc w obecności różnych źródeł energii mózg będzie preferencyjnie spalał ketony. Trzecia rzecz może mieć związek z wydajnością – i może wyjaśniać, dlaczego ciała ketonowe są preferowanym paliwem dla mózgu. Glukoza musi pokonać wiele przeszkód, zanim dotrze do mitochondriów neuronów – przedostaje się przez astrocyty, przekracza kilka błon i przechodzi przez wiele reakcji enzymatycznych. Ciała ketonowe są natomiast pobierane bezpośrednio przez mitochondria w neuronach, gdzie są spalane. Jest to ścieżka znacznie mniej zawiła. A zatem ketoza, czyli spalanie ciał ketonowych, może działać na mózg, umożliwiając energii bezpośredni przepływ między mitochondriami. Ketony we krwi otwierają strumień komunikacji między mitochondriami produkującymi i konsumującymi energię, wspierając ich „społeczność” w całym organizmie.

Kiedy zaczynamy postrzegać mitochondria jako dynamiczne procesory energii i informacji, otwiera się zupełnie nowa perspektywa. Pomyśl o sobie jak o wodospadzie. Wodospad istnieje pod warunkiem, że cząsteczki wody wciąż spływają w dół. Niczego nie dowiesz się o wodospadzie, badając kilka z nabranych z niego obojętnych cząsteczek H₂O. Podobnie jest ze zdrowiem człowieka i sekwencjonowaniem jego genomu. Wodospadu nie da się zrozumieć z jego części, lecz tylko z ruchu. A gdy przepływ ustaje – wodospad znika. Wodospad nie jest rzeczą, jest procesem. I człowiek jest – procesem energetycznym, mówiąc precyzyjnie.

Są dwie główne konsekwencje naszej fundamentalnie energetycznej natury. Pierwsza: jako dynamiczny proces jesteś skazany na zmiany. Twoje ciało nieustannie zrzuca, zabija i tworzy komórki. Twój umysł również się zmienia. Niektóre jego części, takie jak osobowość, są stosunkowo stabilne. Ale i one mogą się zmieniać – na przykład kiedy jesteś głodny, rozdrażniony z głodu, stajesz się mniej sobą. To deficyt energetyczny zmienia twój umysł. Niektóre substancje mogą mieć nań wpływ dramatyczny. Psychodeliki na przykład działają na układ serotoninowy i desynchronizują ludzki mózg. Niejako „zawieszają” też świadome „ja”, czyli ego. Zmienisz wzorce energetyczne mózgu – zmienisz umysł. Umysł może więc być zasadniczo wzorcem energii. Co więcej, energię przepływającą przez twój mózg w jakiś sposób „czuje się” jak coś. Jak niedawno postulowaliśmy w pracy naukowej z Niroshą Murugan z Wilfrid Laurier University w Ontario, ludzie mogą być „okablowani” tak, by odczuwać nadmierny opór w przepływie energii jako coś awersyjnego. Natomiast gładko płynąca energia – jak ta po przyjemnym wysiłku fizycznym albo podczas pracy nad inspirującym projektem – daje poczucie dobrostanu. Kiedy przepływ energii do mózgu ustaje – jeśli na przykład serce się zatrzyma – świadomość szybko zanika i już cię nie ma.

Czy to wszystko wnosi coś użytecznego do moich pierwotnych problemów? Sądzę, że właśnie mamy odpowiedź. Kluczem do życia i zdrowia może być to, jak łatwo energia przepływa przez mitochondria z każdym wdechem. A więc następnym razem, gdy zrezygnujesz z kuszącego, słodkiego przysmaku, pójdziesz na spacer, na siłownię lub zdecydujesz się spędzić czas z bliskimi, wiedz, że wspierasz swoje mitochondria. Utrzymywanie przepływu energii przez twoją mitochondrialną wspólnotę może być kluczem do zdrowia i dobrego życia.