Ученые исследуют создание искусственных органелл

Человеческое тело состоит из множества различных типов клеток, которые имеют небольшие отсеки, известные как органеллы, для выполнения сложных биохимических реакций. В этих компартментах есть несколько ферментов, которые работают вместе, чтобы выполнять важные клеточные функции. Исследователи Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (СРК, Южная Корея) успешно воспроизвели эти нанопространственные компартменты для создания «искусственных митохондрий» в последнем исследовании, опубликованном в Природный катализ в качестве обложки. Они заявляют, что технология может быть использована для создания искусственных органелл, которые могут поставлять АТФ или другие полезные молекулы в клетки в поврежденных или больных тканях.


Это было достигнуто путем перепрограммирования «экзосом», которые представляют собой небольшие пузырьки (диаметр ~ 120 нм), которые клетки используют для передачи межклеточных сигналов. Исследователи провели с использованием микрожидкостных капельных реакторов, которые генерировали маленькие капли, которые были такого же размера, как и типичные клетки. (диаметр ~ 10 нм) Исследователи сначала стремились облегчить контролируемое слияние этих экзосом внутри капель, одновременно предотвращая нежелательное слияние.

Они достигли этого, приспособив поверхности экзосом к молекулам, называемым катехолом, который является хелатирующим агентом, который образует комплексы с ионами металлов. Это, в свою очередь, было сделано путем присоединения катехола к антителам, нацеленным на специфические клеточные маркеры, такие как CD9. Комплексообразующее свойство катехола позволяет им управлять слиянием экзосом, когда они смешиваются с ионами металлов, такими как Fe.3+. Слияние мембран происходит, когда катехолы на поверхностях связываются с железом и приводят везикулы в непосредственную близость друг к другу.

Исследователи сначала проверили эффективность этой системы, загрузив один тип экзосом кальцеином-Co.2+ и еще один с ЭДТА. Когда две везикулы сливаются и содержимое смешивается, ЭДТА захватывает Co2+ вдали от кальцеина, который затем позволяет последнему флуоресцировать. Команда поняла, что они были успешными после обнаружения сигнала флуоресценции, и слияние было дополнительно подтверждено удвоением измеренного диаметра экзосомы.

Затем эти индивидуализированные экзосомы были предварительно загружены различными реагентами и ферментами, которые превратили их в биомиметические нанофабрики. Это позволяет им производить биомолекулы высокой ценности, выполняя желаемые биокаталитические превращения в ограниченном пространстве, что невозможно при использовании обычных лабораторных пробирок. Команда продемонстрировала эту функцию мультиферментного биокаталитического каскада путем инкапсуляции глюкозооксидазы (GOx) и пероксидазы хрена (HRP) внутри экзосом. GOx сначала преобразует глюкозу в глюконовую кислоту и перекись водорода. HRP, в свою очередь, использует перекись водорода, образующуюся в первой реакции, для окисления Amplex Red до флуоресцентного продукта, резоруфина. Исследователи даже смогли сделать шаг вперед, добавив в смесь третий фермент, галактозидазу, которая превращает лактозу в глюкозу.

Затем исследователи хотели узнать, насколько хорошо эти мини-реакторы могут быть поглощены и усвоены клетками. Клетки, полученные из тканей груди человека, питались с помощью нанореакторов слитых экзосом, и их интернализация в течение следующих 48 часов наблюдалась с использованием различных маркеров и конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CLSM). Было обнаружено, что клетки способны поглощать эти индивидуализированные экзосомы главным образом посредством эндоцитоза, а также множества других механизмов. Далее они протестировали в клетках упомянутую выше двух ферментную систему GOx-HRP и обнаружили, что слитые экзосомы способны успешно производить флуоресцентные продукты, даже находясь внутри клеток.

Вооружившись этими знаниями, команда стремилась создать функциональные искусственные митохондрии, способные производить энергию внутри клеток. Для этого АТФ-синтаза и бо3 оксидазы были преобразованы в более ранние экзосомы, содержащие GOx и HRP соответственно. Эти экзосомы, в свою очередь, были слиты, чтобы создать нанореакторы, которые могут производить АТФ с использованием глюкозы и дитиотреитола (DTT). Было обнаружено, что слитые экзосомы способны проникать глубоко в центральную часть твердой сфероидной ткани и продуцировать АТФ в ее гипоксической среде. Активность этих простых органелл сопровождалась заметным снижением генерации активных форм кислорода (АФК). Напротив, свободные ферменты не могли проникнуть внутрь этих плотно упакованных сфероидов клеток.

«Взятые вместе, наши результаты подчеркивают потенциал этих экзосом в качестве нанореакторов в регулировании метаболической активности клеток внутри сфероидов и в ослаблении повреждения клеток из-за гипоксии», – отмечает автор исследования ЧО Юн-Кён. Есть надежда, что дальнейшие исследования таких искусственных органелл представят новую парадигму в различных областях, таких как диагностика и лечение заболеваний, биотехнология, медицина и окружающая среда.