科学家探索创造人造细胞器

科学家探索人造细胞器的创造。外泌体融合产生的人工细胞器可以作为受损组织的能量储备。

   

   

图:(a) Fe3+离子触发由儿茶酚(CEx)定制的外泌体的膜融合。金属-邻苯二酚复合物的形成使外泌体靠近并使融合成为可能。每个外泌体中的不同反应物随后被封装在一起，促进混合并触发融合外泌体(FEx)内的反应。(b)用于在流聚焦结处产生油中水液滴反应器的微流控装置。两种水相(CEx和金属盐)相遇后进入油流(FC-40中含有1%的表面活性剂PFPE-PEG)，将液体破碎成液滴。(c)融合外泌体的平均大小(CEx-1: 121±8 nm, CEx-2: 123±5 nm)和融合外泌体(FEx: 265±14 nm)。

资料来源:基础科学研究所

人体由许多不同类型的细胞组成，这些细胞有被称为细胞器的小隔间，用来进行复杂的生化反应。这些隔室有多种酶，它们一起工作来执行重要的细胞功能。韩国基础科学研究所(IBS)软生命物质中心的研究人员在《自然催化》杂志的封面文章中发表了最新研究，成功模拟了这些纳米空间分隔，创造了“人造线粒体”。他们表示，这项技术可以用来构建人造细胞器，为受损或病变组织中的细胞提供ATP或其他有用分子。

这是通过“外泌体”的重编程实现的，外泌体是细胞用于细胞间信号传递的小泡(直径~120 nm)。研究人员使用微流控液滴反应器进行实验，这种反应器产生的小液滴与典型细胞的大小相似。研究人员首先旨在促进这些外泌体在液滴内的可控融合，同时防止不必要的融合。

他们通过用一种叫做邻苯二酚的分子修饰外泌体表面来实现这一目标。邻苯二酚是一种螯合剂，可以与金属离子形成复合物。这反过来是通过将儿茶酚附着在针对特定细胞标记物(如CD9)的抗体上来实现的。当儿茶酚与金属离子(如Fe3+)混合时，其复合物形成的特性使其能够驱动外泌体之间的融合。当表面的儿茶酚与铁结合并使囊泡彼此靠近时，膜融合就发生了。

研究人员首先通过在一种外泌体中装载钙黄素- co2 +和另一种外泌体中装载EDTA来测试该系统的有效性。当两个囊泡融合，内容物混合后，EDTA从钙黄素那里夺取Co2+，使后者发出荧光。该团队在检测到荧光信号后意识到他们成功了，并且通过测量外泌体直径加倍进一步证实了融合。

然后，这些定制的外泌体被预先装载了不同的反应物和酶，将它们变成了仿生纳米工厂。这使得他们能够在有限的空间内进行所需的生物催化转化，从而生产出高价值的生物分子，而这是传统实验室试管无法实现的。该团队通过将葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)封装在外泌体内，展示了这种多酶生物催化级联功能。GOx首先将葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢。辣根过氧化物酶反过来利用在第一个反应中产生的过氧化氢将Amplex Red氧化为荧光产物，再苯二酚。研究人员甚至可以更进一步，加入第三种酶，半乳糖苷酶，将乳糖转化为葡萄糖。

接下来，研究人员想知道这些微型反应器能在多大程度上被细胞吸收和内化。用融合的外泌体纳米反应器喂养来自人类乳腺组织的细胞，然后使用各种标记物和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察它们在接下来48小时内的内化情况。研究发现，细胞主要通过内吞作用以及多种其他机制来摄取这些定制的外泌体。他们进一步在细胞中测试了上述GOx-HRP两种酶系统，发现融合的外泌体即使在细胞内也能成功制造荧光产品。

有了这些知识，研究小组试图创造出能够在细胞内产生能量的功能性人造线粒体。为了实现这一目标，ATP合酶和bo3氧化酶分别被重组到早期含有GOx和HRP的外泌体中。这些外泌体依次融合形成纳米反应器，可以使用葡萄糖和二硫苏糖醇(DTT)产生ATP。结果发现，融合的外泌体能够深入到固体球形组织的核心部分，并在其缺氧环境中产生ATP。这些简单细胞器的活性伴随着活性氧(ROS)的显著减少。相反，游离酶无法穿透这些紧密排列的球形细胞。

该研究的通讯作者CHO Yoon-Kyoung指出:“总之，我们的结果突出了这些外泌体作为纳米反应器在调节球体内细胞的代谢活动和减轻缺氧造成的细胞损伤方面的潜力。”希望对这种人工细胞器的进一步研究，为疾病诊断和治疗、生物技术、医学、环境等各个领域提供新的范式。

DOI

10.1038 / s41929 - 021 - 00669 - z

Programmed exosome fusion for energy generation in living cells