Созданы искусственные аналоги митохондрий, подходящие для клеточной терапии

Корейские ученые разработали стратегию программируемого слияния экзосом, позволяющую получать искусственные органеллы с определенными ферментами внутри. Из таких экзосом они сделали митохондрии, содержащие короткую электрон-транспортную цепь и способные генерировать АТФ. Митохондрии оставались активными и после внедрения в клетки сфероидов, моделирующих тканевую гипоксию in vitro.

Искусственные аналоги митохондрий

Авторы статьи, опубликованной в Nature Catalysis, сообщили о новой стратегии для получения искусственных мембранных органелл посредством программируемого слияния экзосом, заполненных определенными ферментами. С помощью нового метода ученым удалось даже создать искусственные митохондрии.

С помощью микрофлюидного устройства исследователи получали экзосомы диаметром примерно 10,7 мкм со специфическим заполнением. Важно, что мембранные белки экзосом были модифицированы остатками катехола, который обеспечивает «платформу» для программируемого слияния экзосом. Под действием ионов металлов между мембранами соседних экзосом образуются супрамолекулярные комплексы, в результате мембраны сливаются.

Первоначально авторы метода использовали его для слияния экзосом, содержащих пероксидазу хрена и глюкозооксидазу. Получилась искусственная органелла, у которой внутри находились оба фермента, причем и пероксидаза, и глюкозооксидаза сохранили более 90% активности. Далее органеллу слили с экзосомами, содержащими β-галактозидазу, в результате образовалась органелла с тремя ферментами, которые последовательно катализируют этапы биохимического каскада, начинающегося с гидролиза лактозы.

Как показали эксперименты с искусственными органеллами и клетками линии MCF-10A, клетки поглощают органеллы с помощью эндоцитоза, причем органеллы оказываются внутри эндосом. Тем не менее органеллы сохраняют свою активность внутри живых клеток.

Затем исследователи получили искусственные аналоги митохондрий. Для этого они произвели слияние экзосом, содержащих АТФ-синтазу и цитохромы. Искусственные митохондрии на повышение концентрации глюкозы отвечали закислением среды. Однако первоначально трансмембранный градиент pH был недостаточен для активации АТФ-синтазы, поэтому в реакционную смесь добавляли дитиотреитол, который восстанавливал кофермент Q1, делая его доступным для окисления цитохромами. В итоге ученые добились, чтобы искусственная органелла производила АТФ, как настоящая митохондрия.

Чтобы оценить возможность использования искусственных митохондрий для борьбы с гипоксией, возникающей при повреждении тканей, авторы внедрили их в клетки сфероида, внутренняя часть которого имитирует ткань, страдающую от гипоксии. Органеллы успешно проникали во внутренние клетки сфероида, повышали содержание АТФ в страдающих от гипоксии клетках в 13 раз, а их выживаемость в 6 раз.

Авторы делают вывод, что искусственные органеллы могут быть использованы в клеточной терапии, в том числе для внедрения во внутреннюю часть опухолей. Производство АТФ в пораженных тканях может быть полезным для доставки лекарств или диагностических применений. Не исключено использование искусственных органелл в синтетической биологии — конструировании клеточных структур «с нуля», отмечают исследователи.

Цитируется по:

Kumar, S., et al. Programmed exosome fusion for energy generation in living cells. // Nature Catalysis, published 13 September 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00669-z.

Источник: https://pcr.news

15.09.2021