人造線粒體成功了嗎？

編譯 希區(qū)客

細胞很善于“吞吐”，它們會擠出一些小囊泡，即外泌體。這些外泌體又能與另一個細胞合并。此類吞吐過程是細胞共享資源、傳遞信息的一種方式，也是生命體通信的一大重要組成。

2021年9月13日，有研究團隊在《自然-催化》（Nature Catalysis）雜志發(fā)表論文，介紹了他們將外泌體重編程為一大群鮮活的納米生物反應器的工作。這個重編程過程看起來就是簡單的混合搭配：每個外泌體都內(nèi)含各種不同的化學物質(zhì)，如果把兩個外泌體放一塊，讓它們合并成為一個軟質(zhì)容器，其內(nèi)部的物質(zhì)就會發(fā)生生物反應。

研究人員發(fā)現(xiàn)，微型生物反應器在活細胞內(nèi)泵出能量分子ATP，而能量的爆發(fā)拯救受傷的細胞，給了它們反擊危險分子的能力。如若不然，細胞就會走向死亡。作者團隊如此說道：“我們組裝了一個可以在生命系統(tǒng)內(nèi)有效交流的人工組件。”

使活細胞產(chǎn)生能量真的太棒了——它可以保護機體免受中風或其他傷害，而這種保護作用還只算一碟小菜，納米生物反應器作為一種修補細胞內(nèi)部運作的新工具，潛在用途（幫助組織免于衰老或癌癥），十分廣泛且意義重大。研究人員認為，這種方法可以自下而上地解決合成生物學和仿生工程領域的重大問題。

人工替代品

如果一個城市的供電系統(tǒng)出問題，備用發(fā)電機的重要性便凸顯了。這項新研究試圖探究的就是我們究竟能否為細胞建造微型發(fā)電機。

人體內(nèi)主要負責產(chǎn)生能量的細胞器是線粒體。如果人體遭遇中風或癌癥，或是年齡增長，線粒體的功能就會下降，進而導致組織受損，最終給心臟、肌肉和大腦留下創(chuàng)傷。我們可以用人造細胞器代替垂死的細胞器嗎？

正如前文所介紹的，某些外泌體從一個細胞中釋放，然后來到附近另一個細胞處，被后者吞入，最終將自己包藏的物質(zhì)釋放至新家內(nèi)。那我們試想一下，如果某個外泌體里裝著的是細胞器A所內(nèi)含的成分，那么當它進入細胞B后，釋放自己的內(nèi)含物，是不是就等于把細胞器A放進了細胞B？

顯然，外泌體的包裝、融合以及釋放特性為我們創(chuàng)建人造細胞器奠定了基礎。但這還不夠，因為外泌體的融合與釋放是不受控制的，無論攜帶什么貨物，它們都非常樂于把東西一股腦全倒給細胞。那會讓情況變得很危險，試想一下，廚子把所有烹飪原料都倒進鍋里，會出現(xiàn)怎樣的后果？我們希望有控制地逐步添加各種成分。

新研究的作者團隊選擇用磁力來實現(xiàn)控制。他們在外泌體包裝的外表面修飾了兒茶酚分子——兒茶酚能吸引并抓住金屬離子，然后與不同蛋白質(zhì)發(fā)生連接。這些蛋白質(zhì)可將外泌體引導至特定細胞。在此引導機制下，研究人員就能通過撒不撒鐵粉（是否提供金屬離子）來調(diào)控融合與反應過程。

在實驗過程中，研究團隊對培養(yǎng)皿里的細胞進行誘導，令其吐出外泌體，并進行純化，再將兩種化學物質(zhì)分別填充不同的外泌體。當將這些外泌體混合并發(fā)生反應時，這些化學物質(zhì)會釋放出一種很容易在顯微鏡下被觀察到的熒光信號。為了將兩種不同的外泌體連接在一起，團隊成員將兒茶酚修飾至其表面，然后給到金屬鐵顆粒——外泌體便相互吸引，繼而融合成一個巨大的團塊，閃亮的熒光信號提示我們，這個人造細胞器成了！當三個不同的外泌體（每個外泌體攜帶一種反應物）融合在一起時，相同的混合反應也會發(fā)生。

對作者團隊來說，這些結果證明他們的納米生物反應器運轉靠譜：每一個都可攜帶高反應性化學物質(zhì)，但只有在給出指令時才會啟動生產(chǎn)。

能量爆發(fā)

受到初步成果鼓舞的團隊開始著手設計人造線粒體。

細胞是脆弱的，缺氧時，它們會迅速產(chǎn)生一系列有毒的化學物質(zhì)，包括能如子彈般穿透細胞內(nèi)諸多區(qū)域的活性氧。抵御這種衰退的一種方法是增加細胞的能量資源，因為這有助于對抗破壞性的分子。可不幸的是，細胞的主要ATP 生產(chǎn)工廠線粒體往往成為災難發(fā)生時第一個崩潰的重要系統(tǒng)。

作為替代方案，研究團隊將四種蛋白質(zhì)和化學物質(zhì)填充到外泌體生物反應器中，這些物質(zhì)里頭最核心的就是ATP合成酶，它有助于在存在糖類的情況下幫助合成ATP。

由于細胞自身的線粒體陷于困境，研究人員便發(fā)送了重編程的外泌體。一旦融合，這些納米反應器便將細胞的能量生產(chǎn)提高了約一倍，危險的活性氧分子的水平也下降了。這表明人造細胞器可以提供一條替代生命線。

未來，科學家將探究免疫系統(tǒng)如何對這些天然生物反應器做出反應，人造細胞器又能在體內(nèi)持續(xù)多長時間，以及它們對其他生化反應的作用如何。

資料來源 singularityhub.com