人造线粒体成功了吗？

编译 希区客

细胞很善于“吞吐”，它们会挤出一些小囊泡，即外泌体。这些外泌体又能与另一个细胞合并。此类吞吐过程是细胞共享资源、传递信息的一种方式，也是生命体通信的一大重要组成。

2021年9月13日，有研究团队在《自然-催化》（Nature Catalysis）杂志发表论文，介绍了他们将外泌体重编程为一大群鲜活的纳米生物反应器的工作。这个重编程过程看起来就是简单的混合搭配：每个外泌体都内含各种不同的化学物质，如果把两个外泌体放一块，让它们合并成为一个软质容器，其内部的物质就会发生生物反应。

研究人员发现，微型生物反应器在活细胞内泵出能量分子ATP，而能量的爆发拯救受伤的细胞，给了它们反击危险分子的能力。如若不然，细胞就会走向死亡。作者团队如此说道：“我们组装了一个可以在生命系统内有效交流的人工组件。”

使活细胞产生能量真的太棒了——它可以保护机体免受中风或其他伤害，而这种保护作用还只算一碟小菜，纳米生物反应器作为一种修补细胞内部运作的新工具，潜在用途（帮助组织免于衰老或癌症），十分广泛且意义重大。研究人员认为，这种方法可以自下而上地解决合成生物学和仿生工程领域的重大问题。

人工替代品

如果一个城市的供电系统出问题，备用发电机的重要性便凸显了。这项新研究试图探究的就是我们究竟能否为细胞建造微型发电机。

人体内主要负责产生能量的细胞器是线粒体。如果人体遭遇中风或癌症，或是年龄增长，线粒体的功能就会下降，进而导致组织受损，最终给心脏、肌肉和大脑留下创伤。我们可以用人造细胞器代替垂死的细胞器吗？

正如前文所介绍的，某些外泌体从一个细胞中释放，然后来到附近另一个细胞处，被后者吞入，最终将自己包藏的物质释放至新家内。那我们试想一下，如果某个外泌体里装着的是细胞器A所内含的成分，那么当它进入细胞B后，释放自己的内含物，是不是就等于把细胞器A放进了细胞B？

显然，外泌体的包装、融合以及释放特性为我们创建人造细胞器奠定了基础。但这还不够，因为外泌体的融合与释放是不受控制的，无论携带什么货物，它们都非常乐于把东西一股脑全倒给细胞。那会让情况变得很危险，试想一下，厨子把所有烹饪原料都倒进锅里，会出现怎样的后果？我们希望有控制地逐步添加各种成分。

新研究的作者团队选择用磁力来实现控制。他们在外泌体包装的外表面修饰了儿茶酚分子——儿茶酚能吸引并抓住金属离子，然后与不同蛋白质发生连接。这些蛋白质可将外泌体引导至特定细胞。在此引导机制下，研究人员就能通过撒不撒铁粉（是否提供金属离子）来调控融合与反应过程。

在实验过程中，研究团队对培养皿里的细胞进行诱导，令其吐出外泌体，并进行纯化，再将两种化学物质分别填充不同的外泌体。当将这些外泌体混合并发生反应时，这些化学物质会释放出一种很容易在显微镜下被观察到的荧光信号。为了将两种不同的外泌体连接在一起，团队成员将儿茶酚修饰至其表面，然后给到金属铁颗粒——外泌体便相互吸引，继而融合成一个巨大的团块，闪亮的荧光信号提示我们，这个人造细胞器成了！当三个不同的外泌体（每个外泌体携带一种反应物）融合在一起时，相同的混合反应也会发生。

对作者团队来说，这些结果证明他们的纳米生物反应器运转靠谱：每一个都可携带高反应性化学物质，但只有在给出指令时才会启动生产。

能量爆发

受到初步成果鼓舞的团队开始着手设计人造线粒体。

细胞是脆弱的，缺氧时，它们会迅速产生一系列有毒的化学物质，包括能如子弹般穿透细胞内诸多区域的活性氧。抵御这种衰退的一种方法是增加细胞的能量资源，因为这有助于对抗破坏性的分子。可不幸的是，细胞的主要ATP 生产工厂线粒体往往成为灾难发生时第一个崩溃的重要系统。

作为替代方案，研究团队将四种蛋白质和化学物质填充到外泌体生物反应器中，这些物质里头最核心的就是ATP合成酶，它有助于在存在糖类的情况下帮助合成ATP。

由于细胞自身的线粒体陷于困境，研究人员便发送了重编程的外泌体。一旦融合，这些纳米反应器便将细胞的能量生产提高了约一倍，危险的活性氧分子的水平也下降了。这表明人造细胞器可以提供一条替代生命线。

未来，科学家将探究免疫系统如何对这些天然生物反应器做出反应，人造细胞器又能在体内持续多长时间，以及它们对其他生化反应的作用如何。

资料来源 singularityhub.com