Forskere bygger kunstige cellulære rum som molekylære værksteder

Hvordan installerer man nye funktioner i celler uden at forstyrre deres metaboliske processer? Et hold fra det tekniske universitet i München (TUM) og Helmholtz Zentrum München har ændret pattedyrsceller på en sådan måde, at de dannede kunstige rum, hvori sekvestrerede reaktioner kunne finde sted, muliggør påvisning af celler dybt i vævet og også deres manipulation med magnetfelter.

Prof. Gil Westmeyer, Professor i molekylær billeddannelse ved TUM og leder af et forskerhold ved Helmholtz Zentrum München, og hans team opnåede dette ved at introducere den genetiske information i menneskelige celler til fremstilling af bakterielle proteiner, såkaldte encapsulins, som selv samles til nanosfærer. Denne metode gjorde det muligt for forskerne at skabe små, selvstændige rum - kunstige cellulære rum - inde i pattedyrceller.

Beskyttede områder med nye ejendomme

De små kuglers store styrke er, at de er ugiftige for cellen, og enzymatiske reaktioner kan finde sted inde i dem uden at forstyrre cellens stofskifteprocesser. "En af systemets afgørende fordele er, at vi genetisk kan kontrollere, hvilke proteiner, for eksempel, fluorescerende proteiner eller enzymer, er indkapslet i det indre af nanosfærerne, " forklarer Felix Sigmund, undersøgelsens første forfatter. "Vi kan således rumligt adskille processer og give cellerne nye egenskaber."

Men nanosfærerne har også en naturlig egenskab, som er særlig vigtig for Westmeyers team:De kan optage jernatomer og bearbejde dem på en sådan måde, at de bliver inde i nanosfærerne uden at forstyrre cellens processer. Denne sekvestrerede jernbiomineralisering gør partiklerne og også cellerne magnetiske. "At gøre celler synlige og fjernstyrbare ved at gøre dem magnetiske er et af vores langsigtede forskningsmål. De jern-inkorporerede nanorum hjælper os med at tage et stort skridt mod dette mål, " forklarer Westmeyer.

Magnetisk og praktisk

I særdeleshed, dette vil gøre det lettere at observere celler ved hjælp af forskellige billeddannelsesmetoder:Magnetiske celler kan også observeres i dybe lag med metoder, der ikke beskadiger vævet, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). I samarbejde med Dr. Philipp Erdmann og Prof. Jürgen Plitzko fra Max Planck Institute of Biochemistry, holdet kunne desuden vise, at nanosfærerne også er synlige i højopløsnings kryo-elektronmikroskopi. Denne funktion gør dem nyttige som genreportere, der direkte kan markere celleidentiteten eller cellestatus i elektronmikroskopi, svarende til de almindeligt anvendte fluorescerende proteiner i lysmikroskopi. I øvrigt, der er endda yderligere fordele:Celler, der er magnetiske, kan styres systematisk ved hjælp af magnetiske felter, giver dem mulighed for at blive sorteret og adskilt fra andre celler.

Tænkelig brug i celleterapi

En mulig fremtidig brug af de kunstige cellulære rum er, for eksempel, celle immunterapi, hvor immunceller er genetisk modificeret på en sådan måde, at de selektivt kan ødelægge en patients kræftceller. Med de nye nanorum inde i de manipulerede celler, cellerne kunne i fremtiden muligvis lettere lokaliseres via ikke-invasive billeddannelsesmetoder. "Ved brug af de modulært udstyrede nanorum, vi kan måske også give de genetisk modificerede celler nye metaboliske veje for at gøre dem mere effektive og robuste, " forklarer Westmeyer. "Der er selvfølgelig mange forhindringer, der først skal overvindes i prækliniske modeller, men evnen til genetisk at kontrollere modulære reaktionsbeholdere i pattedyrsceller kunne være meget nyttig for disse tilgange."