Cellen hebben kleine compartimenten die bekend staan ​​als organellen die complexe biochemische reacties uitvoeren. Deze compartimenten hebben meerdere enzymen die samenwerken om belangrijke cellulaire functies uit te voeren. Onderzoekers van het Centre for Soft and Living Matter binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) hebben met succes deze ruimtelijke compartimenten op nanoschaal nagebootst om 'kunstmatige mitochondriën' te creëren. De studie is gepubliceerd in Natuur Katalyse als omslagartikel. De onderzoekers stellen dat de technologie kan worden gebruikt om kunstmatige organellen te construeren die ATP of andere nuttige moleculen kunnen leveren aan cellen in beschadigde of zieke weefsels.

Dit werd bereikt door herprogrammering van exosomen, dit zijn kleine blaasjes (diameter ~ 120 nm) die cellen gebruiken voor intercellulaire signalering. De onderzoekers voerden de experimenten uit met microfluïdische druppelreactoren, die kleine druppeltjes genereerden die van vergelijkbare grootte waren als typische cellen. (diameter ~ 10 m) De onderzoekers streefden er eerst naar om gecontroleerde fusie van deze exosomen in de druppeltjes te vergemakkelijken en ongewenste fusies te voorkomen.

Ze bereikten dit door de exosoomoppervlakken aan te passen met moleculen die catechol worden genoemd, dat is een chelaatvormer die complexen vormt met metaalionen. Dit werd op zijn beurt gedaan door de catechol te hechten aan antilichamen die zich richten op specifieke celmarkers, zoals CD9. Door de complexvormende eigenschap van catechol kunnen ze fusies tussen exosomen aansturen wanneer ze worden gemengd met metaalionen zoals Fe ³⁺ . De membraanfusie vindt plaats wanneer de catecholen op de oppervlakken aan het ijzer binden en de blaasjes dicht bij elkaar brengen.

Onderzoekers testten eerst de effectiviteit van dit systeem door één type exosomen te laden met calceïne-Co ²⁺ en een andere met EDTA. Wanneer de twee blaasjes samensmelten en de inhoud wordt gemengd, EDTA pakt de Co ²⁺ weg van calceïne, waardoor deze laatste kan fluoresceren. Het team realiseerde zich dat ze succesvol waren bij de detectie van het fluorescentiesignaal, en de fusie werd verder bevestigd door de verdubbeling van de gemeten exosoomdiameter.

Deze aangepaste exosomen werden vervolgens voorgeladen met verschillende reactanten en enzymen, waardoor ze in biomimetische nanofabrieken veranderden. Hierdoor kunnen ze hoogwaardige biomoleculen produceren door gewenste biokatalytische transformaties op een ruimtelijk beperkte manier uit te voeren, wat niet mogelijk is met conventionele laboratoriumreageerbuizen. Het team demonstreerde deze multi-enzym biokatalytische cascadefunctie door glucose-oxidase (GOx) en mierikswortelperoxidase (HRP) in de exosomen in te kapselen. De GOx zet eerst glucose om in gluconzuur en waterstofperoxide. De HRP gebruikt op zijn beurt het waterstofperoxide dat in de eerste reactie wordt gegenereerd om Amplex Red te oxideren tot een fluorescerend product, resorufine. De onderzoekers konden zelfs nog een stap verder gaan door een derde enzym toe te voegen, galactosidase die lactose omzet in glucose, in de mix.

Volgende, de onderzoekers wilden precies weten hoe goed deze minireactoren door de cellen kunnen worden opgenomen en geïnternaliseerd. De cellen afkomstig van menselijke borstweefsels werden gevoed met gefuseerde exosome nanoreactoren, en hun internalisatie gedurende de volgende 48 uur werd waargenomen met behulp van verschillende markers en een confocale laser scanning microscoop (CLSM). Er werd gevonden dat cellen deze aangepaste exosomen voornamelijk konden opnemen via endocytose, samen met meerdere andere mechanismen. Ze testten verder het GOx-HRP twee-enzymsysteem in de cellen, en het bleek dat de gefuseerde exosomen met succes fluorescerende producten konden maken, zelfs terwijl ze zich in de cellen bevonden.

Gewapend met deze kennis, het team probeerde functionele kunstmatige mitochondriën te creëren die in staat zijn om energie in de cellen te produceren. Om dit te behalen, ATP-synthase en bo ₃ oxidase werden gereconstitueerd in de eerdere exosomen die GOx en HRP bevatten, respectievelijk. Deze exosomen werden op hun beurt gefuseerd om nanoreactoren te creëren die ATP kunnen produceren met behulp van glucose en dithiothreitol (DTT). Er werd gevonden dat de gefuseerde exosomen diep in het kerndeel van een vast bolvormig weefsel konden doordringen en ATP konden produceren in zijn hypoxische omgeving. De activiteiten van deze eenvoudige organellen gingen gepaard met een duidelijke vermindering van de generatie van reactieve zuurstofspecies (ROS). In tegenstelling tot, vrije enzymen waren niet in staat om binnen deze dicht opeengepakte sferoïden van cellen te dringen.

"Bij elkaar genomen, onze resultaten benadrukken het potentieel van deze exosomen als nanoreactoren bij het reguleren van de metabole activiteit van cellen in sferoïden, en bij het verminderen van celbeschadiging als gevolg van hypoxie, " merkt CHO Yoon-Kyoung op, de corresponderende auteur van de studie. Het is te hopen dat verder onderzoek naar dergelijke kunstmatige organellen een nieuw paradigma zal opleveren op verschillende gebieden, zoals diagnose en behandeling van ziekten, biotechnologie, medicijn, en het milieu.