科學(xué)家探索人造細(xì)胞器的創(chuàng)造

人體由許多不同類(lèi)型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞具有稱(chēng)為細(xì)胞器的小隔室，可以執(zhí)行復(fù)雜的生化反應(yīng)。這些隔室具有多種酶，它們協(xié)同工作以執(zhí)行重要的細(xì)胞功能。基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS，韓國(guó))軟物質(zhì)和生命物質(zhì)中心的研究人員在作為封面文章發(fā)表在《自然催化》上的最新研究中，成功??地模仿了這些納米空間隔室以制造“人工線粒體”。他們表示，該技術(shù)可用于構(gòu)建人工細(xì)胞器，為受損或患病組織中的細(xì)胞提供 ATP 或其他有用分子。

這是通過(guò)重新編程“外泌體”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，外泌體是細(xì)胞用于細(xì)胞間信號(hào)傳遞的小囊泡(直徑約 120 nm)。研究人員使用微流體液滴反應(yīng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該反應(yīng)器產(chǎn)生與典型細(xì)胞大小相似的小液滴。(直徑~10 μm)研究人員首先旨在促進(jìn)液滴內(nèi)這些外泌體的受控融合，同時(shí)防止不需要的融合。

他們通過(guò)用稱(chēng)為兒茶酚的分子定制外泌體表面來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兒茶酚是一種與金屬離子形成復(fù)合物的螯合劑。這反過(guò)來(lái)又是通過(guò)將兒茶酚附著在靶向特定細(xì)胞標(biāo)記物(如 CD9)的抗體上來(lái)完成的。兒茶酚的復(fù)合物形成特性使它們能夠在與 Fe3+等金屬離子混合時(shí)驅(qū)動(dòng)外泌體之間的融合。當(dāng)表面上的兒茶酚與鐵結(jié)合并使囊泡彼此靠近時(shí)，就會(huì)發(fā)生膜融合。

研究人員首先通過(guò)將一種類(lèi)型的外泌體加載鈣黃綠素-Co2+和另一種加載EDTA 來(lái)測(cè)試該系統(tǒng)的有效性。當(dāng)兩個(gè)囊泡融合并且內(nèi)容物混合時(shí)，EDTA 會(huì)從鈣黃綠素上奪走Co2+，然后讓后者發(fā)出熒光。該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到他們?cè)跈z測(cè)到熒光信號(hào)后是成功的，并且通過(guò)測(cè)量的外泌體直徑加倍進(jìn)一步證實(shí)了融合。

這些定制的外泌體隨后被預(yù)裝了不同的反應(yīng)物和酶，從而將它們變成了仿生納米工廠。這使他們能夠通過(guò)以空間受限的方式進(jìn)行所需的生物催化轉(zhuǎn)化來(lái)生產(chǎn)高價(jià)值的生物分子，而使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試管是不可能的。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將葡萄糖氧化酶 (GOx) 和辣根過(guò)氧化物酶 (HRP) 封裝在外泌體中，證明了這種多酶生物催化級(jí)聯(lián)功能。GOx 首先將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸和過(guò)氧化氫。HRP 反過(guò)來(lái)使用第一個(gè)反應(yīng)中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫將 Amplex Red 氧化成熒光產(chǎn)物試鹵靈。研究人員甚至能夠更進(jìn)一步，在混合物中添加第三種酶——半乳糖苷酶，將乳糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。

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