В клетках высших организмов органеллы, такие как ядро или митохондрии, выполняют ряд сложных функций, необходимых для жизни. В сетях Швейцарского института нанонаук и NCCR «Разработка молекулярных систем» группа под руководством профессора Корнелии Паливан из химического факультета Базельского университета работает над созданием органелл такого типа в лаборатории, чтобы внедрить их в клетки, и контролировать их активность в ответ на присутствие внешних факторов (например, изменение значений pH или восстановительных условий).Эти клеточные имплантаты могут, например, нести ферменты, способные превращать фармацевтический ингредиент в активное вещество и высвобождать его «по требованию» в определенных условиях.
Такой прием лекарств может значительно снизить как количество, так и побочные эффекты. Это позволит проводить лечение только тогда, когда этого требуют изменения, связанные с патологическими состояниями (например, опухолью).Крошечные капсулы с ферментативным грузомИскусственные органеллы основаны на крошечных капсулах, которые самопроизвольно образуются в растворе из полимеров и могут включать в себя различные макромолекулы, такие как ферменты.
Представленные здесь искусственные органеллы содержат фермент пероксидазу, который начинает действовать только тогда, когда определенные молекулы проникают через стенку капсул и поддерживают ферментативную реакцию.Чтобы контролировать прохождение веществ, исследователи включили химически модифицированные природные мембранные белки в стенки капсул. Они действуют как ворота, которые открываются в зависимости от концентрации глутатиона в клетке.
При низком уровне глутатиона поры мембранных белков «закрываются», то есть никакие вещества не могут пройти. Если концентрация глутатиона поднимается выше определенного порога, белковые ворота открываются, и вещества извне могут проходить через поры в полость капсулы. Там они преобразуются ферментом внутри, и продукт реакции может покинуть капсулу через открытые ворота.
Также эффективен для живых организмовИскусственные органеллы также были изучены in vivo в сотрудничестве с группой под руководством профессора Йорга Хувайлера из Департамента фармацевтических наук Базельского университета. «Теперь мы впервые смогли интегрировать эти контролируемые искусственные органеллы в клетки живого организма», — говорит Корнелия Паливан.
Исследователи выбрали эмбрионы рыбок данио, потому что их прозрачные тела позволяют превосходно отслеживать клеточные имплантаты под микроскопом, когда они помечаются флуоресцентным красителем.После введения искусственных органелл они были «съедены» макрофагами и поэтому попали в организм.
Затем исследователи смогли показать, что фермент пероксидаза, захваченный внутри искусственной органеллы, активируется, когда перекись водорода, продуцируемая макрофагами, проникает через белковые ворота.«В этом исследовании мы показали, что искусственные органеллы, вдохновленные природой, продолжают работать так, как задумано в живом организме, и что встроенные нами белковые ворота работают не только в клеточных культурах, но и в естественных условиях», — комментирует Тома?
Эйнфальт, первый автор статьи и выпускник аспирантуры Швейцарского института нанонаук. Идея использования искусственных органелл в качестве клеточных имплантатов с потенциалом для производства активных фармацевтических соединений, например, открывает новые перспективы для ориентированной на пациента белковой терапии.