Malariaparasieten zitten vol met wild ronddraaiende ijzerkristallen – wetenschappers weten eindelijk waarom

Elke cel van de dodelijke parasiet Plasmodium falciparum, het organisme dat malaria veroorzaakt, bevat een klein compartiment vol microscopisch kleine ijzerkristallen. Zolang de parasiet leeft, dansen de kristallen. Ze draaien, schokken en ricocheren in hun kleine luchtbel als wisselgeld in een overgeklokte wasmachine, te snel en chaotisch om zelfs maar door traditionele wetenschappelijke technieken te kunnen worden gevolgd. En als de parasiet sterft, stoppen ze.

De ijzerkristallen zijn lange tijd een belangrijk doelwit geweest voor antimalariamedicijnen, maar hun beweging heeft wetenschappers verbijsterd sinds ze voor het eerst werden ontdekt. “Mensen praten niet over wat ze niet begrijpen, en omdat de beweging van deze kristallen zo mysterieus en bizar is, is het al tientallen jaren een blinde vlek voor de parasitologie”, zegt Paul Sigala, Ph.D., universitair hoofddocent biochemie aan de Spencer Fox Eccles School of Medicine (SFESOM) van de Universiteit van Utah.

Nu heeft het onderzoeksteam van Sigala eindelijk ontdekt wat de kristallen doet dansen: dezelfde chemische reactie die ruimtevaartraketten aandrijft. De bevindingen zouden nieuwe doelen voor malariabehandelingen kunnen onthullen en nieuwe inzichten kunnen opleveren voor het creëren van robots op nanoschaal. De resultaten zijn gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Biologische raketbrandstof

De kristallen, die zijn gemaakt van een op ijzer gebaseerde verbinding genaamd heem, bewegen door de afbraak van waterstofperoxide in water en zuurstof te veroorzaken, ontdekten de onderzoekers. Bij de reactie komt energie vrij, waardoor de kristallen de ‘kick’ krijgen die ze nodig hebben om in beweging te komen.

Het is een vorm van voortstuwing die gebruikelijk is in de lucht- en ruimtevaarttechniek, waarbij peroxidebrandstof satellieten in een baan om de aarde lanceert, maar voorheen onbekend was in de biologie. “Deze waterstofperoxide-ontleding is gebruikt om grootschalige raketten aan te drijven”, zegt Erica Hastings, Ph.D., postdoctoraal onderzoeker in de biochemie bij de SFESOM. “Maar ik denk niet dat het ooit in biologische systemen is waargenomen.”

Waterstofperoxide wordt in hoge concentraties aangetroffen in het microscopisch kleine compartiment dat ijzerkristallen bevat, en parasieten maken de verbinding aan als een afvalproduct, dus het viel de onderzoekers op als een potentiële chemische brandstof die de beweging van de kristallen zou kunnen stimuleren. De wetenschappers ontdekten zelfs dat waterstofperoxide op zichzelf voldoende was om gezuiverde kristallen te laten draaien – er was geen parasiet voor nodig.

Omgekeerd, toen de onderzoekers malariaparasieten kweekten bij ongewoon lage zuurstofniveaus, wat de hoeveelheid peroxideparasieten verlaagt, vertraagden de kristallen tot ongeveer de helft van hun normale snelheid, ook al waren de parasieten verder gezond.

Kristalbeweging kan de overleving van parasieten bevorderen

De onderzoekers vermoeden dat de hectische beweging van de kristallen belangrijk kan zijn voor het in leven blijven van malariaparasieten, en ze hebben enkele ideeën waarom. Peroxide zelf is uiterst giftig voor cellen. De ronddraaiende kristallen kunnen voor het malaria-organisme een manier zijn om overtollig giftig peroxide te ‘verbranden’ voordat het schadelijke chemische reacties kan veroorzaken en de parasiet kan beschadigen.

Sigala voegt eraan toe dat de draaiende beweging de parasiet ook kan helpen snel om te gaan met overtollig heem, door te voorkomen dat kristallen aan elkaar klonteren. Samengeklonterde kristallen zouden voorkomen dat de parasiet zo snel extra heem zou opslaan, omdat ze minder beschikbare oppervlakte zouden hebben om nieuwe heem aan toe te voegen. Door de kristallen constant in beweging te houden, kan de malariaparasiet ervoor zorgen dat hij extra heem efficiënt kan opslaan.

Het aandrijven van nieuwe robots en nieuwe medicijnen

De draaiende kristallen zijn het eerste bekende voorbeeld in de biologie van een zelfrijdend metalen nanodeeltje, zeggen de onderzoekers. Maar ze vermoeden dat dit fenomeen veel wijdverspreider is.

De nieuwe bevindingen zouden kunnen leiden tot verbeterde ontwerpen voor microscopische robots, voegen de onderzoekers eraan toe.

“Nano-engineered zelfrijdende deeltjes kunnen worden gebruikt voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen en toepassingen voor medicijnafgifte, en we denken dat deze resultaten potentiële inzichten zullen opleveren”, zegt Sigala.

De resultaten zouden uiteindelijk ook kunnen leiden tot betere antimalariamiddelen, zeggen de onderzoekers. “Wij denken dat de afbraak van waterstofperoxide waarschijnlijk een belangrijke bijdrage levert aan het verminderen van cellulaire stress”, zegt Sigala. “Als er manieren zijn om de chemie aan het kristaloppervlak te blokkeren, zou dat alleen al voldoende kunnen zijn om parasieten te doden.”

Hun kleine chemische raketten verschillen enorm van elk bekend aspect van de menselijke biologie – en dat betekent dat ze een krachtig potentieel doelwit voor medicijnen zijn. Geneesmiddelen die zich richten op een dergelijk mechanisme dat uniek is voor de parasiet, hebben veel minder kans op gevaarlijke bijwerkingen.

“Als we een medicijn richten op een gebied dat heel anders is dan menselijke cellen, zal het waarschijnlijk geen extreme bijwerkingen hebben”, legt Hastings uit. “Als we kunnen definiëren hoe deze parasiet verschilt van ons lichaam, geeft dit ons toegang tot nieuwe richtingen voor medicijnen.”