细胞喜欢吞咽和打嗝。它不是消化不良。相反,细胞挤出的小脂肪团可以与另一个细胞合并,以共享物质和信息。它是人体通讯基础设施的重要组成部分。

它还可能被黑客入侵。

a的作者新的研究催化性质将这些被称为外泌体的斑点重新编程,使之成为一群活的纳米生物反应器。这是一个看似简单的混合和搭配过程:每个斑点都充满了不同的化学物质,这与生物反应有关。将两种化学物质放在一起,这些斑点就会融合成一个黏糊糊的容器,让两种化学物质发生反应。

结果是爆炸性的。这种微小的生物反应器在活细胞内泵出叫做ATP的能量分子。能量的爆发拯救了受伤的细胞,为它们提供了强大的力量来对抗危险分子,否则会导致细胞死亡。

“我们组装了一个可以在生命系统内有效交流的人工组件,”作者说。

产生能量是一个很好的用途——它可以潜在地保护组织免受中风或其他伤害。但这只是皮毛。纳米生物反应器是一种修补细胞内部工作的新方法。潜在的用途是广泛的,例如从老化或者癌症。

该团队写道:“这种方法可以……解决自下而上合成生物学和生物灵感工程中的重要挑战。”它“代表了在模仿自然自身细胞器方面的进步”。

满足您的细胞器

你可能听说过器官,但什么是细胞器?让我们放大一个单元格。

我们的细胞基本上是微小的生活城市,每个都有复杂的基础设施。从视觉上看,想象一个巨大的雪花玻璃球,上面有多个更小的结构——有些是球状的,有些像漂浮的海藻碎片——所有这些结构都愉快地依偎在那个脂肪丰富的外壳里。每一个组成部分都被称为细胞器,因为它们与器官相似,有各自的功能。

这是细胞核,一个类似桃核的结构,里面有洞,可以容纳我们的DNA。这是溶酶体,一袋咝咝作响的酸,是一种废物处理工具,用来分解细胞的黏稠物。线粒体是一种松软的、看起来像外星人的细胞器,表面光滑,但内部有像梳子一样的手指,里面储存着产生能量的物质。

每个细胞器组成一个微环境,所以它们可以半独立地工作。这就是为什么我们的细胞是如此高效的化学工厂——多亏了细胞器,它们可以进行平行的串联反应,支持生命。基本上,细胞器允许细胞多任务处理,因为每个细胞器都是自己的生物反应器。

如果有一个掉下去会怎么样?

一个人工更换

当一个城市的电网失效时,最好有一个备用发电机来保持能量流动。

这项新研究想知道我们能否为这种细胞制造微型发电机。人体产生能量的主要细胞器是线粒体。在中风或癌症等疾病中,甚至随着我们年龄的增长,它们的功能会下降。这会导致组织损伤,进而在心脏、肌肉和大脑上留下疤痕。

我们能不能用人造的细胞器来代替濒临死亡的细胞器?

输入合成生物学。长期以来,科学家们一直了解在一个特定的细胞器内发生的复杂的生化反应,例如,那些制造能量分子ATP的细胞。我们有食谱。问题是在原来的厨房烧毁后再建一个新厨房这样我们就能做出同样的分子菜肴了。

细胞的消化功能就在这里发挥作用。细胞有一层液体外膜,就像双层的肥皂泡,它可以拧成一个单独的、更小的气泡,包裹细胞化学物质。这有点像用一大团面团和馅料做饺子或意大利饺子。一旦这些外泌体从细胞中释放出来,它们就会漂浮到附近的细胞中,被吞噬,并将其内容物释放到细胞中。

换句话说:外泌体是很好的包装物,可以填充化学成分,模仿细胞器。

下一步是控制核聚变。外泌体非常乐意彼此融合,不管它们携带的货物是什么。这可能会很危险。想想把每一种烹饪原料倒进平底锅里,然后触发火警——这在细胞里不是最好的结果。相反,我们希望按步骤添加这些成分。

该团队的解决方案是磁铁。排序的。他们在外泌体包装的表面上点缀了一种分子,即能抓住金属离子的邻苯二酚。然后,儿茶酚与不同的蛋白质“邮政编码”相连接,这些蛋白质将外泌体导向特定的细胞。

通过这种方式,外泌体可以将目标组织作为睡眠剂。它们只有在浇上一层铁粉后才会熔化和反应,生成最终产品。

在他们的第一个试管实验中,研究小组在培养皿中诱导细胞分泌外泌体。这些“包装纸”随后被提纯,并重新填充两种不同的化学物质。当它们混合和反应时,这些化学物质释放出荧光信号,在显微镜下很容易看到。为了将两种不同的外泌体连接在一起,研究小组将儿茶酚——铁粒子的粘性手——生物工程到它们的外壳上。只要一滴金属铁,外泌体就会相互拉近并融合成一个巨大的斑点。

这两种化学物质混合后,voilà-the新研制的人造细胞器就像圣诞树一样发出荧光。同样的混合发生在三个不同的斑点,每个携带一个反应物,融合在一起。

对作者来说,这证明了他们的纳米生物反应器可靠地工作:每个反应器都可以携带高度活性的化学物质,但只有在得到提示时才会启动生产。

能量爆发

受此鼓舞,研究小组着手设计一种人造线粒体,这种细胞器可以排出能量分子ATP。

细胞是脆弱的生物。当缺氧时,它们会迅速煮出一锅有毒的化学物质,包括被称为活性氧(ROS)的微小子弹,它会在细胞的各个隔间打洞。对抗这种下降的一种方法是增加细胞的能量来源,这有助于对抗这些有害分子。不幸的是,细胞中产生atp的主要工厂——线粒体,是最先下降的。

作为替代方案,研究小组将四种蛋白质和化学物质放入外泌体生物反应器中,其中主要的一种是ATP合酶,它(你猜对了)在糖存在的情况下帮助合成ATP。

随着细胞自身线粒体陷入困境,研究小组将这些重新编程的外泌体送入细胞。一旦融合,纳米反应器将电池的能量产量提高了近两倍。危险的ROS分子水平也降低了,这表明人工替代细胞器提供了一条生命线。

“据我们所知,没有研究报告这种能力与外泌体融合有关,”作者说。

下一步,科学家们将梳理出免疫系统如何对这些天然生物反应器作出反应,它们在体内能维持多久,以及它们对其他生化反应的作用如何。但由于该系统的即插即用模式——只需输入你喜欢的化学反应物——我们现在有了一种控制和重新编程活细胞生命的新方法。

图片来源:LuckyStep/Shutterstock.com

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在英属哥伦比亚大学完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她前往加州大学旧金山分校研究血液因子,以恢复衰老的大脑活力。她是…

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