数十年来，科学家们一直困惑于疟疾寄生虫体内为何存在无数持续运动的微小晶体。最新研究揭示了这种旋转行为的根源：晶体运动源于过氧化氢分解的化学反应，其原理与火箭推进技术相似。这种持续运动可能为寄生虫提供重要的生存优势——通过“消耗”有毒过氧化氢或辅助储存与毒性相关的危险含铁化合物，帮助其应对自身代谢产生的有害副产物。（显微镜图像，埃丽卡·黑斯廷斯博士提供）
在导致疟疾的疟原虫恶性疟原虫的每个细胞内，都存在一个充满微小铁晶体的小型隔室。当寄生虫存活时，这些晶体始终处于运动状态。它们在封闭空间内旋转、碰撞并反弹，运动速度之快、轨迹之不可预测，令常规科学工具难以测量。寄生虫死亡时，运动骤然停止。
多年来，这些铁晶体一直是抗疟药物的关键靶点，但其运动原因始终成谜。
“人们不会讨论不理解的事物，由于这些晶体的运动过于神秘奇特，这已成为寄生学领域数十年的盲点，”犹他大学斯宾塞·福克斯·埃克尔斯医学院生物化学副教授保罗·西加拉博士表示。
西加拉及其同事现已揭示运动源头：晶体由与将火箭送入太空相同的化学反应提供动力。该发现可能指向干扰疟原虫的新途径，并为设计纳米级微型机器提供参考。研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》。
生物火箭燃料
研究人员发现，由含铁化合物血红素制成的晶体，通过驱动将过氧化氢分解为水和氧气的化学反应实现运动。该反应释放能量，推动晶体启动并维持旋转。
这种推进形式在航空航天工程中常见（过氧化氢燃料将卫星送入轨道），但此前在生物学中未被发现。“过氧化氢分解曾用于驱动大型火箭，”医学院生物化学博士后研究员埃丽卡·黑斯廷斯博士表示，“但我不认为它在生物系统中被观测到过。”
含有铁晶体的微观隔室内存在高浓度过氧化氢，而寄生虫将其作为代谢废物产生，因此研究人员推测它可能是驱动晶体运动的潜在化学燃料。实验确证：仅需过氧化氢即可使提纯晶体旋转——无需寄生虫参与。
相反，当研究人员在异常低氧环境中培养疟原虫（降低其产生的过氧化氢量）时，晶体转速降至正常水平的一半，尽管寄生虫状态健康。
晶体运动或助寄生虫生存
研究者推测晶体的狂暴运动对疟原虫存活至关重要，并提出两种解释：过氧化氢本身对细胞剧毒，旋转晶体可能是疟原虫在有害化学反应损伤自身前“消耗”过量有毒过氧化氢的途径。
西加拉补充道，旋转运动还可能帮助寄生虫快速处理过量血红素，防止晶体聚集。聚集的晶体会阻碍寄生虫高效储存额外血红素（因可新增血红素的表面积减少）。通过保持晶体持续运动，疟原虫确保能高效隔离更多血红素。
驱动新型机器人与药物
研究者称，旋转晶体是生物学中首个已知的自推进金属纳米颗粒实例，但该现象可能更为普遍。
新发现或启发微型机器人的改进设计。“纳米工程自推进颗粒可用于多种工业和药物递送场景，我们认为这些结果将带来潜在启示，”西加拉表示。
研究成果最终也可能催生更有效的抗疟药物。“我们推测过氧化氢的分解对减轻细胞压力具有重要贡献，”西加拉说，“若能阻断晶体表面的化学反应，仅此一项可能就足以杀死寄生虫。”
这些微小化学火箭与人类生物学的任何已知方面都截然不同——这意味着它们是强大的潜在药物靶点。针对此类寄生虫特有机制的药物引发严重副作用的可能性更低。“若药物靶向与人类细胞差异极大的区域，则可能不会产生极端副作用，”黑斯廷斯解释道，“若能明确寄生虫与人体的差异，便为我们开辟了新药研发方向。”
该研究由美国国立卫生研究院（项目编号R35GM133764等）、犹他铁与血红素紊乱中心、犹他大学普莱斯工程学院及犹他大学健康中心3i计划资助。
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