por Shelly Fan

A las células les gusta tragar y eructar. No es indigestión. Más bien, las células exprimen pequeñas gotas de grasa que pueden fusionarse con otra célula como una forma de compartir materiales e información. Es una parte integral de la infraestructura de comunicaciones del cuerpo.

Y se puede piratear.

Los autores de un nuevo estudio en Nature Catalysis reprogramaron estas manchas, llamadas exosomas, en un ejército de nanobiorreactores vivos. Es un proceso aparentemente simple de mezclar y combinar: cada gota está llena de una sustancia química diferente que está involucrada en una reacción biológica. Al juntar dos, las gotas se fusionan en un solo recipiente blando, lo que permite que los dos químicos reaccionen.

Los resultados fueron explosivos. Los diminutos biorreactores bombeaban moléculas de energía, llamadas ATP, dentro de las células vivas. El estallido de energía salvó las células dañadas, proporcionándoles un impulso de poder para luchar contra moléculas peligrosas que de otro modo conducirían a la muerte celular.

“Ensamblamos un componente artificial que puede comunicarse de manera efectiva dentro del sistema vivo”, dijeron los autores.

Generar energía es de gran utilidad: potencialmente puede salvar el tejido de un derrame cerebral u otras lesiones. Pero eso es solo rascar la superficie. Los nanobiorreactores son una nueva forma de jugar con el funcionamiento interno de la célula. Los usos potenciales son amplios, como salvar los tejidos del envejecimiento o el cáncer.

“Este enfoque podría… abordar desafíos importantes en biología sintética de abajo hacia arriba e ingeniería bioinspirada”, escribió el equipo. “Representa un avance en la imitación de los propios orgánulos de la naturaleza”.

Conoce tus orgánulos

Has oído hablar de los órganos, pero ¿qué son los orgánulos ? Acerquémonos a una celda.

Nuestras células son básicamente pequeñas ciudades vivientes, cada una con una intrincada infraestructura. Para una imagen visual, imagina una gran bola de nieve con múltiples estructuras más pequeñas, algunas globulares, otras como trozos flotantes de algas, todas ubicadas felizmente dentro de esa capa grasa. Cada uno de estos componentes se llama orgánulos porque, al igual que los órganos, tienen funciones individualizadas.

Está el núcleo, una estructura similar a un núcleo de melocotón con agujeros que alberga nuestro ADN. Está el lisosoma, una bolsa de ácido chisporroteante que es una herramienta de eliminación de desechos para descomponer la mugre de la célula. Está la mitocondria, un orgánulo flexible de apariencia alienígena que es suave por fuera pero tiene dedos como un cepillo en el interior que albergan los materiales para generar energía.

Cada orgánulo constituye un microambiente, por lo que pueden funcionar de forma semiindependiente. Así es como nuestras células son fábricas químicas tan eficientes: gracias a los orgánulos, pueden realizar cascadas paralelas de reacciones en tándem que sustentan la vida. Básicamente, los orgánulos permiten que las células sean multitareas, porque cada uno es su propio biorreactor.

¿Qué pasa si uno cae?

Un reemplazo artificial

Cuando la red eléctrica de una ciudad se apaga, es bueno tener un generador de respaldo para mantener el flujo de energía.

El nuevo estudio se preguntó si podemos construir un microgenerador para la célula. El principal orgánulo productor de energía del cuerpo son las mitocondrias. En enfermedades como el accidente cerebrovascular o el cáncer, o incluso a medida que envejecemos, sus funciones disminuyen. Esto puede causar daño tisular, lo que a su vez deja cicatrices en el corazón, los músculos y la mente.

¿Podemos reemplazar un orgánulo moribundo por uno artificial?

Ingrese a la biología sintética. Los científicos han entendido desde hace mucho tiempo las intrincadas reacciones bioquímicas que retumban dentro de un orgánulo específico, por ejemplo, las que producen la molécula de energía, ATP. Tenemos la receta. El problema es construir una cocina adicional cuando se quema el original para que podamos producir el mismo plato molecular final.

Aquí es donde entran en juego las peculiaridades digestivas de la célula. Una célula tiene una membrana externa fluida, como una pompa de jabón de doble capa, que se puede pellizcar en una burbuja separada más pequeña que envuelve las sustancias químicas celulares. Es un poco como hacer albóndigas o tortellini con una masa gigante y relleno. Una vez que estos exosomas se liberan de las células, flotan hacia una célula cercana, se tragan y liberan su contenido en esa célula.

En otras palabras: los exosomas son excelentes envoltorios para rellenar ingredientes químicos para imitar un orgánulo.

El siguiente paso es controlar su fusión. Los exosomas están perfectamente felices de fusionarse entre sí, independientemente de la carga que lleven. Eso puede volverse peligroso. Piense en tirar todos los ingredientes de cocina en una sartén y activar una alarma de incendio; no es el mejor resultado dentro de las celdas. En cambio, queremos agregar esos ingredientes en pasos.

La solución del equipo fueron los imanes. Algo así como. Salpican la superficie de las envolturas del exosoma con una molécula, catecol, que se adhiere a los iones metálicos. Luego, el catecol se vinculó con diferentes “códigos postales” de proteínas que dirigen el exosoma a células específicas.

De esta manera, los exosomas pueden concentrarse en su tejido objetivo como agentes durmientes. Solo se fusionan y reaccionan, generando el producto final, cuando se rocían con una capa de hierro.

En su primer experimento de probeta, el equipo convenció a las células de una placa de Petri para que hicieran eructar exosomas. Estos “envoltorios” se purificaron luego y cada uno se volvió a rellenar con dos productos químicos diferentes y separados. Cuando se mezclaron y reaccionaron, los productos químicos liberaron una señal fluorescente que era fácil de ver al microscopio. Para unir dos exosomas diferentes, el equipo diseñó mediante bioingeniería el catecol, la mano pegajosa de las partículas de hierro, en sus capas externas. Con una gota de hierro metálico, los exosomas se acercaron entre sí y se fusionaron en una mancha gigante.

Los dos productos químicos se mezclaron y listo, el orgánulo artificial recién acuñado se iluminó con fluorescencia como un árbol de Navidad. La misma mezcla ocurrió cuando tres gotas diferentes, cada una con un solo reactivo, se fusionaron.

Para los autores, fue una prueba de que su nanobiorreactor funcionaba de manera confiable: cada uno podía transportar sustancias químicas altamente reactivas, pero solo activar la producción cuando se le diera una pista.

Explosión de energía

Animado, el equipo pasó a diseñar una mitocondria artificial, el orgánulo que bombea ATP, la molécula de energía.

Las células son seres frágiles. Cuando carecen de oxígeno, rápidamente cocinarán una sopa tóxica de productos químicos, incluidas pequeñas balas llamadas especies reactivas de oxígeno (ROS), que disparan agujeros a través de los diversos compartimentos de la célula. Una forma de combatir esta disminución es aumentar el recurso energético de la célula, lo que ayuda a combatir estas moléculas dañinas. Desafortunadamente, la principal fábrica productora de ATP de la célula, las mitocondrias, es la primera en caer.

Como alternativa, el equipo introdujo cuatro proteínas y sustancias químicas en biorreactores de exosomas, siendo uno de los principales la ATP sintasa, que (lo adivinó) ayuda a sintetizar ATP, en presencia de azúcar.

Con las propias mitocondrias de la célula en peligro, el equipo envió estos exosomas reprogramados. Una vez fusionados, los nanoreactores aumentaron la producción de energía de la célula casi al doble. Los niveles de moléculas ROS peligrosas también se hundieron, lo que sugiere que el orgánulo de reemplazo artificial proporcionó un salvavidas.

“Hasta donde sabemos, no hay estudios que informen sobre esta capacidad relacionada con la fusión de exosomas”, dijeron los autores.

Como siguiente paso, los científicos descubrirán cómo responde el sistema inmunológico a estos biorreactores naturales, cuánto duran dentro del cuerpo y qué tan bien funcionan para otras reacciones bioquímicas. Pero gracias al modo plug-and-play del sistema, simplemente introduzca sus reactivos químicos favoritos, ahora tenemos una nueva forma de controlar y reprogramar la vida de una célula viva.

Haber de imagen:   LuckyStep  /  Shutterstock.com

Fuente: https://singularityhub.com/2021/09/21/scientists-created-artificial-mitochondria-that-can-make-energy-for-damaged-cells/

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