疟原虫中血孢子晶体运动的化学推进机制

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Chemical propulsion of hemozoin crystal motion in malaria parasites

血红素结晶通过催化分解过氧化氢产生运动，类似纳米马达，其动力机制有助于中和血红素消化产生的过氧化氢，维持疟原虫生存并影响抗疟药物效果。

　　

重要性

血红素结晶的形成是抗疟疾药物的主要靶点，因为它是导致疟疾的疟原虫生存所必需的，而疟疾是世界上最严重的传染病之一。血红素结晶在寄生虫的食物泡内快速运动，但其运动机制和意义一直是个谜。通过定量活细胞成像和计算建模，我们发现血红素的运动是由晶体表面的过氧化氢催化分解驱动的，这一机制类似于合成纳米马达。此前人们认为血红素结晶只是惰性的解毒产物。我们的研究重新定义了这些晶体的生理作用，认为它们是具有催化活性的纳米颗粒，其推进机制有助于中和寄生虫在血液阶段感染过程中消化血红蛋白时产生的有毒过氧化氢。

摘要

疟疾寄生虫会感染红细胞，并在一种类似溶酶体的细胞器——食物泡内消化宿主的血红蛋白并释放游离的血红素。为了解毒多余的血红素，寄生虫会形成血红素结晶，这些结晶在食物泡内快速运动。血红素结晶的形成对寄生虫的生存至关重要，也是抗疟疾药物发挥作用的核心。尽管人们对血红素结晶的静态结构特性进行了广泛研究，但其运动机制仍然是个未解之谜。我们利用定量图像分析确定了其运动的时间尺度，这一过程需要完整的细胞器，但不需要寄生虫本身。通过单颗粒追踪和基于实验得出的相互作用势的布朗动力学模拟，我们发现血红素的运动受到异常严格的限制，但其速度远快于热扩散。食物泡内产生的高浓度过氧化氢已被证明可以通过表面催化的过氧化氢分解来刺激合成金属纳米颗粒的运动，从而产生推进动能。我们观察到过氧化氢能够刺激溶液中孤立结晶的运动，而抑制过氧化氢形成的条件会减缓寄生虫内部血红素结晶的运动。这些数据表明，血红素结晶表面的金属成分催化了过氧化氢的分解，从而驱动了结晶的运动。这项研究揭示了疟疾寄生虫中血红素结晶的运动，这是一个内源性自驱动纳米颗粒的生物学实例。这种推进机制可能具有生理作用，有助于减轻寄生虫在血液阶段感染过程中因大规模血红蛋白消化而产生的过氧化氢所造成的氧化应激。