미토콘드리아는 원뿔 세포의 색소를 빛을 포착하는 데 더 효율적으로 만들어 시력을 향상시킬 수 있습니다

고퍼 광수용체 콘 내부의 미토콘드리아 묶음(노란색)은 확산광(아래에서 빛)(파란색 빔)을 보다 정밀하게 포커싱하는 데 예상치 못한 역할을 합니다.이 광학적 거동은 원뿔 세포의 색소를 빛을 포착하는 데 더 효율적으로 만들어 시력을 향상시킬 수 있습니다.

모기가 마이크로렌즈 어레이를 통해 당신을 지켜보고 있습니다.당신은 고개를 돌리고 파리채를 손에 들고 겸손한 외눈으로 흡혈귀를 바라봅니다.하지만 생각보다 서로, 그리고 세상을 더 많이 볼 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

지난 달 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 발표된 연구에 따르면 포유동물의 눈 내부에 있는 세포 영양 소기관인 미토콘드리아가 두 번째 마이크로렌즈 역할을 하여 광색소에 빛을 집중시키는 데 도움을 주며, 이 색소는 빛을 뇌가 신경 신호로 변환하도록 합니다. 해석하다.이 발견은 포유류의 눈과 곤충 및 기타 절지동물의 겹눈 사이에 놀라운 유사성을 보여주며, 이는 우리 눈이 잠재적인 광학적 복잡성을 가지고 있으며 진화가 새로운 용도로 발견된 우리 세포 해부학의 매우 오래된 부분을 만들었음을 시사합니다.

눈 앞쪽에 있는 수정체는 주변 환경의 빛을 망막이라고 하는 뒤쪽의 얇은 조직층에 집중시킵니다.그곳에서 광수용기 세포(세상을 색칠하는 원추체와 저조도에서 탐색하는 데 도움이 되는 간상체)는 빛을 흡수하여 뇌로 가는 신경 신호로 변환합니다.그러나 광색소는 두꺼운 미토콘드리아 묶음 바로 뒤에 있는 광수용기의 맨 끝에 위치합니다.이 묶음의 이상한 배열은 미토콘드리아를 겉보기에 불필요한 빛 산란 장애물로 만듭니다.

미토콘드리아는 빛 입자에 대한 "마지막 장벽"이라고 국립 안과 연구소(National Eye Institute)의 선임 연구원이자 이 논문의 주저자인 Wei Li가 말했습니다.수년 동안 시력 과학자들은 이러한 세포 소기관의 이상한 배열을 이해할 수 없었습니다. 결국 대부분의 세포의 미토콘드리아는 중심 소기관인 핵에 달라붙었습니다.

일부 과학자들은 이 광선이 빛 신호가 신경 신호로 변환되는 곳에서 멀지 않은 곳에서 진화했을 수 있다고 제안했습니다. 신경 신호는 에너지를 쉽게 펌핑하고 빠르게 전달할 수 있는 에너지 집약적 과정입니다.그러나 광수용체는 에너지를 위해 많은 미토콘드리아를 필요로 하지 않는 대신 세포의 젤라틴질 세포질에서 발생하는 해당과정이라는 과정에서 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 연구 결과가 나오기 시작했습니다.

Lee와 그의 팀은 주간 시력은 우수하지만 원추형 광수용체가 불균형하게 크기 때문에 실제로 밤에는 실명하는 작은 포유동물인 고퍼의 원추세포를 분석하여 이러한 미토콘드리아관의 역할에 대해 배웠습니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미토콘드리아 묶음이 광학적 특성을 가질 수 있음이 밝혀진 후 Lee와 그의 팀은 실제 물체에 대한 실험을 시작했습니다.다람쥐 망막의 얇은 샘플을 사용했고, 일부 원뿔체를 제외하고는 대부분의 세포가 제거되어 멤브레인 안에 깔끔하게 포장된 "미토콘드리아 한 봉지"가 있다고 Lee는 말했습니다.

이 샘플에 조명을 비추고 이 연구실의 과학자이자 이 연구의 주저자인 John Ball이 설계한 특수 공초점 현미경으로 주의 깊게 조사한 결과 예상치 못한 결과를 발견했습니다.미토콘드리아 빔을 통과하는 빛은 밝고 예리하게 집중된 빔으로 나타납니다.연구진은 살아있는 동물에서 광색소가 기다리고 있는 이 마이크로렌즈를 통해 빛이 어둠을 투과하는 사진과 비디오를 촬영했습니다.

미토콘드리아 번들은 장애물이 아니라 최소한의 손실로 광수용체에 가능한 한 많은 빛을 전달하는 데 핵심적인 역할을 한다고 Li는 말했습니다.

시뮬레이션을 사용하여 그와 그의 동료들은 수정체 효과가 주로 미토콘드리아 번들 자체에 의해 유발되고 주변의 막이 아니라(막이 역할을 하지만) 발생한다는 것을 확인했습니다.고퍼의 자연사의 기이함은 또한 미토콘드리아 다발의 모양이 초점을 맞추는 능력에 중요하다는 것을 증명하는 데 도움이 되었습니다. 고퍼가 동면하는 몇 달 동안 미토콘드리아 다발이 무질서해지고 축소됩니다.연구자들이 잠자는 땅다람쥐의 미토콘드리아 다발을 통해 빛이 통과할 때 일어나는 일을 모델링했을 때, 그들은 그것이 뻗어 있고 고도로 정돈되어 있을 때만큼 빛을 집중시키지 않는다는 것을 발견했습니다.

과거에 다른 과학자들은 미토콘드리아 다발이 망막에서 빛을 모으는 데 도움이 될 수 있다고 제안했다고 Columbia University Medical Center의 안과 교수인 Janet Sparrow는 말합니다.그러나 그 아이디어는 이상하게 보였습니다. “나 같은 사람들은 웃으면서 말했어요. '야, 너 정말 빛을 인도할 미토콘드리아가 그렇게 많니?'- 그녀가 말했다."그것을 증명하는 문서이며 매우 훌륭합니다."

Lee와 그의 동료들은 고퍼에서 관찰한 것이 매우 유사한 피라미드 구조를 가진 인간과 다른 영장류에서도 일어날 수 있다고 믿습니다.그들은 이것이 1933년에 처음 기술된 스타일스-크로포드 효과(Stiles-Crawford effect)라고 불리는 현상을 설명할 수도 있다고 생각합니다.중앙 빛은 미토콘드리아 다발에 더 집중될 수 있기 때문에 연구자들은 원뿔 색소에 더 집중할 수 있다고 생각합니다.그들은 Stiles-Crawford 효과를 측정하는 것이 미토콘드리아 손상과 변화로 이어지는 망막 질환의 조기 발견에 도움이 될 수 있다고 제안합니다.Lee의 팀은 질병에 걸린 미토콘드리아가 빛을 어떻게 다르게 집중시키는지 분석하기를 원했습니다.

연구에 참여하지 않은 UCLA의 안과 조교수인 Yirong Peng은 "아름다운 실험 모델"이자 매우 새로운 발견이라고 말했습니다.Peng은 이러한 미토콘드리아 번들이 간체 내부에서도 기능하여 야간 시력을 개선할 수 있는지 확인하는 것이 흥미로울 것이라고 덧붙였습니다.

최소한 원추체에서 이러한 미토콘드리아는 미토콘드리아의 막이 자연적으로 빛을 굴절시키는 지질로 구성되어 있기 때문에 마이크로렌즈로 진화했을 수 있다고 Lee는 말했습니다."그 기능을 위한 최고의 재료일 뿐입니다."

지질은 또한 자연의 다른 곳에서 이 기능을 찾는 것 같습니다.조류와 파충류의 경우 망막에 기름방울이라는 구조가 생겨 색 필터 역할을 하지만 미토콘드리아 다발과 같은 마이크로렌즈로도 기능하는 것으로 생각됩니다.수렴 진화, 머리 위를 맴도는 새, 유쾌한 인간 먹이 주위를 윙윙거리는 모기 등, 독자적으로 진화한 적절한 광학적 특징, 즉 시청자를 끌어들이는 적응으로 이 글을 읽습니다.맑고 밝은 세상이 옵니다.

편집자 주: Yirong Peng은 이 독립적으로 편집된 잡지에 자금을 지원하는 Simons 재단이 부분적으로 지원하는 프로젝트인 Klingenstein-Simons Fellowship의 지원을 받았습니다.Simmons 재단의 자금 지원 결정은 우리의 보고에 영향을 미치지 않습니다.

수정: 2022년 4월 6일 기본 이미지의 제목은 처음에 미토콘드리아 묶음의 색상을 노란색 대신 보라색으로 잘못 식별했습니다.보라색 염색은 번들을 둘러싼 막과 관련이 있습니다.
Quanta 잡지는 정보에 입각한 의미 있고 문명화된 대화를 촉진하기 위해 리뷰를 조정합니다.공격적이거나 신성 모독적이거나 자기 홍보, 오해의 소지가 있거나 일관성이 없거나 주제에서 벗어난 댓글은 거부됩니다.중재자는 정상 업무 시간(뉴욕 시간) 동안 열려 있으며 영어로 작성된 의견만 수락할 수 있습니다.