科学家探索人造细胞器的创造

细胞具有称为细胞器的小隔室，可以执行复杂的生化反应。这些隔室具有多种酶，它们协同工作以执行重要的细胞功能。基础科学研究所(IBS，韩国)软物质和生命物质中心的研究人员已经成功地模仿了这些纳米级空间隔室来制造“人工线粒体”。该研究作为封面文章发表在Nature Catalysis 上。研究人员表示，该技术可用于构建人工细胞器，为受损或患病组织中的细胞提供 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囊泡(直径约 120 nm)。研究人员使用微流体液滴反应器进行了实验，该反应器产生与典型细胞大小相似的小液滴。(直径~10 μm)研究人员首先旨在促进液滴内这些外泌体的受控融合，同时防止不需要的融合。

他们通过用称为儿茶酚的分子定制外泌体表面来实现这一点，儿茶酚是一种与金属离子形成复合物的螯合剂。这反过来又是通过将儿茶酚附着在靶向特定细胞标记物(如 CD9)的抗体上来完成的。儿茶酚的复合物形成特性使它们能够在与 Fe 3+等金属离子混合时驱动外泌体之间的融合。当表面上的儿茶酚与铁结合并使囊泡彼此靠近时，就会发生膜融合。

研究人员首先通过将一种类型的外泌体加载钙黄绿素-Co 2+和另一种加载EDTA 来测试该系统的有效性。当两个囊泡融合并且内容物混合时，EDTA 会从钙黄绿素上夺走Co 2+，然后让后者发出荧光。该团队意识到他们在检测到荧光信号后是成功的，并且通过测量的外泌体直径加倍进一步证实了融合。

这些定制的外泌体随后被预装了不同的反应物和酶，从而将它们变成了仿生纳米工厂。这使他们能够通过以空间受限的方式进行所需的生物催化转化来生产高价值的生物分子，而使用传统的实验室试管是不可能的。该团队通过封装葡萄糖氧化酶证明了这种多酶生物催化级联功能(GOx) 和辣根过氧化物酶 (HRP) 在外泌体中。GOx 首先将葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢。HRP 反过来使用第一个反应中产生的过氧化氢将 Amplex Red 氧化成荧光产物试卤灵。研究人员甚至能够更进一步，在混合物中添加第三种酶——半乳糖苷酶，将乳糖转化为葡萄糖。

接下来，研究人员想确切地知道这些微型反应器可以被细胞吸收和内化的程度。用融合的外泌体纳米反应器喂养源自人类乳腺组织的细胞，并使用各种标记物和共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 观察它们在接下来的 48 小时内的内化。发现细胞能够主要通过内吞作用以及多种其他机制摄取这些定制的外泌体。他们进一步测试了细胞中的 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物。

有了这些知识，该团队试图创造能够在细胞内产生能量的功能性人工线粒体。为了实现这一点，ATP 合酶和 bo 3氧化酶分别重组到早期含有 GOx 和 HRP 的外泌体中。这些外泌体依次融合以创建可以使用葡萄糖和二硫苏糖醇 (DTT) 产生 ATP 的纳米反应器。发现融合的外泌体能够深入渗透到固体球体组织的核心部分，并在其缺氧环境中产生 ATP。这些简单细胞器的活动伴随着活性氧 (ROS) 生成的显着减少。相比之下，游离酶无法渗透到这些紧密堆积的细胞球体内部。

该研究的通讯作者 CHO Yoon-Kyoung 指出：“总的来说，我们的结果强调了这些外泌体作为纳米反应器在调节球体内细胞代谢活动和减轻缺氧引起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将在疾病诊断和治疗、生物技术、医学和环境等各个领域呈现出新的范式。

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