O echipă de oameni de știință de la Universitatea de Stat din Michigan a descoperit „întrerupătorul” molecular care alimentează spermatozoizii în timpul sprintului final către ovul. Urmărind modul în care spermatozoizii utilizează glucoza ca sursă de energie, echipa a descoperit modul în care celulele latente trec brusc în viteză superioară, consumând energie printr-un proces controlat cu atenție, în mai mulți pași. O enzimă cheie, aldolaza, ajută la transformarea zahărului în explozia de energie necesară fertilizării, în timp ce alte enzime acționează ca controlori de trafic, direcționând fluxul de combustibil.
Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan au identificat un „întrerupător” molecular care stimulează energia spermatozoizilor chiar înainte de a încerca să fertilizeze un ovul. Descoperirea ar putea îmbunătăți tratamentele de infertilitate și ar putea sprijini dezvoltarea unor opțiuni sigure, non-hormonale, de control al nașterilor masculine.
„Metabolismul spermatozoizilor este special, deoarece se concentrează doar pe generarea mai multă energie pentru a atinge un singur scop: fertilizarea”, a declarat Melanie Balbach, profesor asistent în cadrul Departamentului de Biochimie și Biologie Moleculară și autor principal al studiului.
Înainte de ejaculare, spermatozoizii mamiferelor rămân într-o stare de energie scăzută. Odată ajunși în tractul reproductiv feminin, aceștia se transformă rapid. Încep să înoate cu mai multă forță și își ajustează membranele exterioare care vor interacționa în cele din urmă cu ovulul. Aceste modificări necesită o creștere bruscă și semnificativă a producției de energie.
„Multe tipuri de celule suferă această trecere rapidă de la stări de energie scăzută la ridicată, iar spermatozoizii sunt o modalitate ideală de a studia o astfel de reprogramare metabolică”, a spus Balbach. Ea s-a alăturat MSU în 2023 pentru a-și extinde activitatea de pionierat în domeniul metabolismului spermatozoizilor.
La începutul carierei sale la Weill Cornell Medicine, Balbach a contribuit la demonstrarea faptului că blocarea unei enzime critice a spermatozoizilor a provocat infertilitate temporară la șoareci. Această descoperire a evidențiat posibilitatea unui control al nașterilor masculine non-hormonal.
Deși oamenii de știință au înțeles că spermatozoizii necesită cantități mari de energie pentru a se pregăti pentru fertilizare, mecanismul exact din spatele acestei creșteri a rămas neclar până acum.
Lucrând cu colaboratori de la Memorial Sloan Kettering Cancer Center și Van Andel Institute, echipa lui Balbach a dezvoltat o metodă de urmărire a modului în care spermatozoizii procesează glucoza, un zahăr pe care îl absorb din mediul înconjurător și îl folosesc drept combustibil. Prin cartografierea traseului chimic al glucozei în interiorul celulei, cercetătorii au identificat diferențe clare între spermatozoizii inactivi și cei care fuseseră activați.
„Vă puteți gândi la această abordare ca la vopsirea acoperișului unei mașini în roz aprins și apoi la urmărirea acelei mașini prin trafic folosind o dronă”, a explicat Balbach. „În spermatozoizii activați, am văzut această mașină vopsită deplasându-se mult mai repede prin trafic, preferând în același timp o rută distinctă și am putut chiar să vedem la ce intersecții tindea mașina să se blocheze”, a spus ea.
Folosind resurse precum Mass Spectrometry and Metabolomics Core de la MSU, echipa a creat o imagine detaliată a procesului multistratificat, de înaltă energie, pe care se bazează spermatozoizii pentru a realiza fertilizarea.
Studiul a constatat că o enzimă cunoscută sub numele de aldolază joacă un rol cheie în transformarea glucozei în energie utilizabilă. Cercetătorii au mai aflat că spermatozoizii apelează la rezervele interne de energie pe care le poartă deja atunci când începe călătoria lor. În plus, anumite enzime acționează ca regulatori, direcționând modul în care glucoza se deplasează prin căile metabolice și influențând eficiența cu care este produsă energia.
Balbach intenționează să continue să investigheze modul în care spermatozoizii se bazează pe diferite surse de combustibil, inclusiv glucoza și fructoza, pentru a-și satisface cerințele de energie. Această linie de cercetare poate afecta mai multe domenii ale sănătății reproductive.
Infertilitatea afectează aproximativ una din șase persoane din întreaga lume. Balbach crede că studierea metabolismului spermatozoizilor ar putea duce la instrumente de diagnosticare mai bune și la îmbunătățirea tehnologiilor de reproducere asistată. Descoperirile pot sprijini, de asemenea, dezvoltarea de noi strategii contraceptive, în special abordări non-hormonale.
„O mai bună înțelegere a metabolismului glucozei în timpul activării spermatozoizilor a fost un prim pas important și acum ne propunem să înțelegem cum se traduc descoperirile noastre la alte specii, cum ar fi spermatozoizii umani”, a spus Balbach. „O opțiune este să explorăm dacă una dintre enzimele noastre de „control al traficului” ar putea fi țintită în siguranță ca contraceptiv non-hormonal masculin sau feminin”, a adăugat ea.
Cele mai multe eforturi de a crea contraceptive masculine s-au concentrat pe oprirea producției de spermatozoizi. Această strategie are dezavantaje. Nu oferă infertilitate imediată, la cerere, iar multe opțiuni se bazează pe hormoni care pot provoca efecte secundare semnificative.
Cele mai recente lucrări ale lui Balbach sugerează o alternativă. Prin țintirea metabolismului spermatozoizilor cu o abordare non-hormonală bazată pe inhibitori, poate fi posibilă dezactivarea temporară a funcției spermatozoizilor atunci când se dorește, minimizând în același timp efectele nedorite.
„În acest moment, aproximativ 50% dintre toate sarcinile nu sunt planificate, iar acest lucru ar oferi bărbaților opțiuni suplimentare și putere asupra fertilității lor”, a spus Balbach. „De asemenea, creează libertate pentru cei care folosesc controlul nașterilor feminin, care se bazează pe hormoni și este foarte predispus la efecte secundare. Sunt încântată să văd ce altceva putem găsi și cum putem aplica aceste descoperiri.”
Spermatozoizii trebuie să-și sporească dramatic nivelul de energie pentru a finaliza călătoria solicitantă către un ovul și pentru a realiza fertilizarea. Oamenii de știință au descoperit acum modul în care spermatozoizii accesează glucoza din mediul înconjurător pentru a alimenta această creștere, dezvăluind sursa de combustibil din spatele transformării lor rapide. Această descoperire aprofundează înțelegerea noastră asupra biologiei reproductive și ar putea deschide ușa unor tratamente mai bune pentru infertilitate și a unor opțiuni inovatoare, non-hormonale de control al nașterilor.