Ученые создают искусственные органеллы
Клетки содержат компартменты — органеллы, которые выполняют сложные биохимические реакции. Исследователи из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) успешно воссоздали подобные наноразмерные пространственные компартменты, получив «искусственные митохондрии». Исследование опубликовано на обложке журнала Nature Catalysis.
Технология основана на перепрограммировании экзосом — небольших везикул (120 нм), которые клетки используют для межклеточной сигнализации. Эксперименты проводили в микрожидкостных дроплетных реакторах, создающих капли размером с типичную клетку (10 мкм).
Контролируемое слияние экзосом
Чтобы управлять слиянием экзосом, их поверхность модифицировали катехолом — хелатирующим агентом, образующим комплексы с ионами металлов. Катехол присоединяли к антителам, нацеленным на клеточные маркеры (например, CD9). При смешивании с ионами Fe3+ катехол на поверхностях везикул связывается с железом, сближая мембраны и вызывая их слияние.
Эффективность системы подтвердили, загрузив одни экзосомы кальцеином-Co2+, а другие — ЭДТА. После слияния и смешивания содержимого ЭДТА отбирает ион Co2+ у кальцеина, что вызывает флуоресценцию последнего. Успешное слияние также подтвердило удвоение диаметра экзосом.
Нанофабрики для каскадных реакций
Модифицированные экзосомы предварительно загружали реагентами и ферментами, превращая их в биомиметические нанофабрики. Это позволяет проводить желаемые биокаталитические превращения с пространственным ограничением, что невозможно в обычных пробирках.
Команда продемонстрировала работу мультиферментного каскада, инкапсулировав в экзосомы глюкозооксидазу (GOx) и пероксидазу хрена (HRP). GOx превращает глюкозу в глюконовую кислоту и перекись водорода. Затем HRp использует эту перекись для окисления Amplex Red до флуоресцентного резоруфина. Ученые также добавили третий фермент — галактозидазу, превращающую лактозу в глюкозу.
Внутриклеточная работа и искусственные митохондрии
Клетки, полученные из тканей человеческой груди, успешно поглощали слитые экзосомы-нанореакторы в течение 48 часов в основном через эндоцитоз. Двухферментная система GOx-HRP продолжала производить флуоресцентные продукты внутри клеток.
Для создания функциональных искусственных митохондрий, способных производить энергию, в экзосомы реконструировали АТФ-синтазу и bo3 оксидазу, после чего их сливали. Полученные нанореакторы могли производить АТФ из глюкозы и дитиотреитола (DTT). Они проникали вглубь сфероидов ткани и производили АТФ даже в гипоксической среде, одновременно значительно снижая генерацию активных форм кислорода (ROS). Свободные ферменты не могли проникнуть в плотные сфероиды.
«Наши результаты подчеркивают потенциал этих экзосом как нанореакторов для регуляции метаболической активности клеток в сфероидах и снижения клеточных повреждений из-за гипоксии», — отмечает корреспондирующий автор работы ЧО Юн-Кён. Дальнейшие исследования таких искусственных органелл могут задать новый парадигму в диагностике и лечении болезней, биотехнологии, медицине и экологии.