세포는 꿀꺽 삼키고 트림하는 것을 좋아한다. 소화불량이 아니다. 오히려 세포는 물질과 정보를 공유하는 방법으로 다른 세포와 병합할 수 있는 작은 지방 덩어리를 짜낸다. 그것은 신체의 통신 인프라의 필수적인 부분이다. 그리고 해킹될 수 있다.

 

Nature Catalysis에 실린 새로운 연구의 저자들은 엑소좀(exosomes)이라고 하는 이 덩어리를 살아있는 나노생물반응기의 군대로 재프로그래밍했다. 이것은 겉보기에 단순한 혼합 및 일치 과정이다. 각 얼룩은 생물학적 반응과 관련된 다른 화학 물질로 채워져 있다. 두 가지를 함께 사용하면 얼룩이 하나의 뭉툭한 용기로 합쳐져 두 화학 물질이 반응할 수 있다.

 

결과는 폭발적이었다. 작은 생물반응기는 살아있는 세포 내부에서 ATP라고 불리는 에너지 분자를 펌핑했다. 폭발적인 에너지는 손상된 세포를 구했고, 그렇지 않으면 세포 사멸로 이어지는 위험한 분자에 대항할 수 있는 힘을 강화했다.

 

"우리는 살아있는 시스템 내에서 효과적으로 통신할 수 있는 인공 구성 요소를 조립했다."라고 저자는 말했다.

 

에너지를 생성하는 것은 매우 유용하다. 잠재적으로 뇌졸중이나 기타 부상으로부터 조직을 구할 수 있다. 그러나 그것은 표면을 긁는 것에 불과하다. 나노생물반응기는 세포의 내부 작동을 조작하는 새로운 방법이다. 잠재적인 용도는 노화나 암으로부터 조직을 구하는 것과 같이 광범위하다.

 

"이 접근법은… 상향식 합성생물학 및 생체 영감 공학에서 중요한 문제를 해결할 수 있다." 그것은 "자연 자체의 세포 소기관을 모방하는 데 있어서의 진보를 나타낸다."

  

소기관을 만나보자.

기관에 대해 들어 보았지만 소기관이 무엇일까? 셀을 확대해 보겠다.

 

우리의 세포는 기본적으로 각각 복잡한 기반 시설을 갖춘 작은 살아있는 도시이다. 시각적으로 보기 위해 여러 개의 작은 구조(일부는 구형이고 일부는 떠다니는 해초와 같은 구조)가 있는 큰 스노우 글로브가 모두 그 기름진 껍질 안에 행복하게 자리 잡고 있다고 상상해 보자. 이러한 각 구성 요소는 기관과 유사하게 개별 기능을 가지고 있기 때문에 소기관이라고 한다.

 

핵, 즉 우리의 DNA를 수용하는 구멍이 있는 복숭아 핵과 같은 구조가 있다. 세포의 덩어리를 분해하는 폐기물 처리 도구인 지글지글 산 봉지인 리소좀이 있다. 미토콘드리아는 헐렁하고 외계인처럼 보이는 세포 소기관으로 외부는 매끄럽지만 내부에는 에너지 생성 물질이 들어 있는 빗자루 같은 손가락이 있다.

 

각 소기관은 미시 환경을 구성하므로 반독립적으로 기능할 수 있다. 이것이 우리 세포가 효율적인 화학 공장인 이유이다. 세포 소기관 덕분에 생명을 유지하는 동시에 병렬 반응을 수행할 수 있다. 기본적으로 세포 소기관은 세포가 다중 작업을 수행할 수 있도록 한다. 각 세포는 자체 생물 반응기이기 때문이다.

 

 하나가 떨어지면 어떻게 될까?

인공 교체

도시의 전력망이 끊어지면 에너지 흐름을 유지하기 위해 백업 발전기가 있는 것이 좋다.

 

새로운 연구는 우리가 세포를 위한 마이크로 발전기를 만들 수 있는지 궁금했다. 신체의 주요 에너지 생성 소기관은 미토콘드리아이다. 뇌졸중이나 암과 같은 질병은 나이가 들어도 기능이 저하된다. 이것은 조직 손상을 일으켜 심장, 근육, 마음에 흉터를 남길 수 있다.

 

죽어가는 소기관을 인공 소기관으로 교체할 수 있을까?

 

합성생물학을 입력한다. 과학자들은 에너지 분자인 ATP를 만드는 것과 같은 특정 소기관 내부에서 우르르 움직이는 복잡한 생화학 반응을 오랫동안 이해해 왔다. 레시피가 있다. 문제는 원본이 타버렸을 때 부엌을 추가로 짓는 것이다. 그래서 우리는 여전히 같은 최종 분자 요리를 생산할 수 있다.

 

여기에서 세포의 소화 장애가 발생한다. 세포에는 세포 화학 물질을 감싸는 별도의 더 작은 거품으로 꼬집어질 수 있는 이중층 비누 방울과 같은 유체 외막이 있다. 마치 거대한 반죽 덩어리와 속을 채워 만두나 토르텔리니를 만드는 것과 비슷하다. 이 엑소좀이 세포에서 방출되면 가까운 세포로 떠내려가 꿀꺽 삼키고 내용물을 해당 세포로 방출한다.

 

다시 말해, 엑소좀은 세포 소기관을 모방하기 위해 화학 성분을 채우는 훌륭한 래퍼이다.

 

다음 단계는 융합을 제어하는 것이다. 엑소좀은 운반하는 화물에 관계없이 서로 완벽하게 결합되어 기쁘다. 위험해질 수 있다. 모든 요리 재료를 냄비에 쏟아 붓고 화재 경보기를 울리는 것을 생각해보자. 세포 내부에서 최상의 결과가 나오지는 않는다. 대신 이러한 재료를 단계적으로 추가하고 싶다.

 

팀의 솔루션은 자석이었다. 일종의 그들은 금속 이온을 잡는 분자인 카테콜로 엑소좀 래퍼의 표면에 점을 찍는다. 그런 다음 카테콜은 엑소좀을 특정 세포로 안내하는 다른 단백질 "우편 번호"와 연결되었다.

 

이러한 방식으로 엑소좀은 수면제로서 표적 조직을 연마할 수 있다. 그들은 융합하고 반응하여 철가루를 뿌리면 최종 제품을 생성한다.

 

첫 번째 시험관 실험에서 팀은 엑소좀을 트림하기 위해 페트리 접시의 세포를 동감했다. 그런 다음 이 "포장지"를 정제하고 각각 두 개의 서로 다른 화학 물질로 다시 채웠다. 그것들이 혼합되고 반응할 때, 화학 물질은 현미경으로 보기 쉬운 형광 신호를 방출했다. 두 개의 서로 다른 엑소좀을 연결하기 위해 연구팀은 철 입자의 끈적한 손인 카테콜을 외부 껍질에 생체 공학적으로 설계했다. 금속 철 한 방울로 엑소좀이 서로 가깝게 당겨져 하나의 거대한 덩어리로 융합되었다.

 

두 가지 화학 물질이 혼합되고 짜잔, 새로 만들어진 인공 소기관이 크리스마스 트리처럼 형광 빛으로 밝혀졌다. 각각 단일 반응물을 운반하는 3개의 서로 다른 얼룩이 함께 융합될 때 동일한 혼합이 발생했다.

 

저자들에게 이것은 나노생물반응기가 안정적으로 작동한다는 증거였다. 각각은 반응성이 높은 화학물질을 운반할 수 있지만 신호가 주어졌을 때만 생산이 중단되었다.

 

 에너지 버스트

 고무된 팀은 에너지 분자인 ATP를 내보내는 소기관인 인공 미토콘드리아를 엔지니어링하기로 했다.

 

세포는 연약한 존재이다. 산소가 부족하면 세포의 다양한 구획을 통해 구멍을 쏘는 반응성 산소 종(ROS)이라고 불리는 아주 작은 총알을 포함하여 독성 화학 물질 수프를 빠르게 요리한다. 이러한 감소에 대처하는 한 가지 방법은 세포의 에너지 자원을 증가시켜 이러한 손상 분자와 싸우는 데 도움이 된다. 불행히도 세포의 주요 ATP 생산 공장인 미토콘드리아가 가장 먼저 다운된다.

 

대안으로, 팀은 4개의 단백질과 화학물질을 엑소좀 생물반응기에 넣었다. 주된 것은 ATP 합성효소로, 당이 있을 때 ATP 합성을 돕는다.

 

세포 자체의 미토콘드리아가 곤경에 처한 상태에서 팀은 재프로그래밍된 엑소좀을 보냈다. 일단 융합되면, 나노반응기는 세포의 에너지 생산을 거의 2배 증가시켰다. 위험한 ROS 분자의 수준도 낮아져 인공 대체 세포 소기관이 생명선을 제공했음을 시사한다.

 

저자들은 “우리가 아는 한 엑소좀 융합과 관련된 이 능력을 보고한 연구는 없다”고 말했다.

 

다음 단계로 과학자들은 면역 체계가 이러한 자연 생물 반응기에 어떻게 반응하는지, 체내에서 얼마나 오래 지속되는지, 다른 생화학 반응에 얼마나 잘 작용하는지 알아낼 것이다. 하지만 시스템의 플러그 앤 플레이 모드 덕분에 좋아하는 화학 반응물을 넣기만 하면 된다. 이제 우리는 살아있는 세포의 수명을 제어하고 다시 프로그래밍할 수 있는 새로운 방법을 갖게 되었다.

 

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