編譯 希區(qū)客

細胞很善于“吞吐”，它們會擠出一些小囊泡，即外泌體。這些外泌體又能與另一個細胞合并。此類吞吐過程是細胞共享資源、傳遞信息的一種方式，也是生命體通信的一大重要組成。

2021年9月13日，有研究團隊在《自然-催化》（Nature Catalysis）雜志發(fā)表論文，介紹了他們將外泌體重編程為一大群鮮活的納米生物反應器的工作。這個重編程過程看起來就是簡單的混合搭配：每個外泌體都內(nèi)含各種不同的化學物質(zhì)，如果把兩個外泌體放一塊，讓它們合并成為一個軟質(zhì)容器，其內(nèi)部的物質(zhì)就會發(fā)生生物反應。

研究人員發(fā)現(xiàn)，微型生物反應器在活細胞內(nèi)泵出能量分子ATP，而能量的爆發(fā)拯救受傷的細胞，給了它們反擊危險分子的能力。如若不然，細胞就會走向死亡。作者團隊如此說道：“我們組裝了一個可以在生命系統(tǒng)內(nèi)有效交流的人工組件?！?/p>

使活細胞產(chǎn)生能量真的太棒了——它可以保護機體免受中風或其他傷害，而這種保護作用還只算一碟小菜，納米生物反應器作為一種修補細胞內(nèi)部運作的新工具，潛在用途（幫助組織免于衰老或癌癥），十分廣泛且意義重大。研究人員認為，這種方法可以自下而上地解決合成生物學和仿生工程領(lǐng)域的重大問題。

人工替代品

如果一個城市的供電系統(tǒng)出問題，備用發(fā)電機的重要性便凸顯了。這項新研究試圖探究的就是我們究竟能否為細胞建造微型發(fā)電機。

人體內(nèi)主要負責產(chǎn)生能量的細胞器是線粒體。如果人體遭遇中風或癌癥，或是年齡增長，線粒體的功能就會下降，進而導致組織受損，最終給心臟、肌肉和大腦留下創(chuàng)傷。我們可以用人造細胞器代替垂死的細胞器嗎？

正如前文所介紹的，某些外泌體從一個細胞中釋放，然后來到附近另一個細胞處，被后者吞入，最終將自己包藏的物質(zhì)釋放至新家內(nèi)。那我們試想一下，如果某個外泌體里裝著的是細胞器A所內(nèi)含的成分，那么當它進入細胞B后，釋放自己的內(nèi)含物，是不是就等于把細胞器A放進了細胞B？

顯然，外泌體的包裝、融合以及釋放特性為我們創(chuàng)建人造細胞器奠定了基礎(chǔ)。但這還不夠，因為外泌體的融合與釋放是不受控制的，無論攜帶什么貨物，它們都非常樂于把東西一股腦全倒給細胞。那會讓情況變得很危險，試想一下，廚子把所有烹飪原料都倒進鍋里，會出現(xiàn)怎樣的后果？我們希望有控制地逐步添加各種成分。

新研究的作者團隊選擇用磁力來實現(xiàn)控制。他們在外泌體包裝的外表面修飾了兒茶酚分子——兒茶酚能吸引并抓住金屬離子，然后與不同蛋白質(zhì)發(fā)生連接。這些蛋白質(zhì)可將外泌體引導至特定細胞。在此引導機制下，研究人員就能通過撒不撒鐵粉（是否提供金屬離子）來調(diào)控融合與反應過程。

在實驗過程中，研究團隊對培養(yǎng)皿里的細胞進行誘導，令其吐出外泌體，并進行純化，再將兩種化學物質(zhì)分別填充不同的外泌體。當將這些外泌體混合并發(fā)生反應時，這些化學物質(zhì)會釋放出一種很容易在顯微鏡下被觀察到的熒光信號。為了將兩種不同的外泌體連接在一起，團隊成員將兒茶酚修飾至其表面，然后給到金屬鐵顆?！饷隗w便相互吸引，繼而融合成一個巨大的團塊，閃亮的熒光信號提示我們，這個人造細胞器成了！當三個不同的外泌體（每個外泌體攜帶一種反應物）融合在一起時，相同的混合反應也會發(fā)生。

對作者團隊來說，這些結(jié)果證明他們的納米生物反應器運轉(zhuǎn)靠譜：每一個都可攜帶高反應性化學物質(zhì)，但只有在給出指令時才會啟動生產(chǎn)。

能量爆發(fā)

受到初步成果鼓舞的團隊開始著手設(shè)計人造線粒體。

細胞是脆弱的，缺氧時，它們會迅速產(chǎn)生一系列有毒的化學物質(zhì)，包括能如子彈般穿透細胞內(nèi)諸多區(qū)域的活性氧。抵御這種衰退的一種方法是增加細胞的能量資源，因為這有助于對抗破壞性的分子?？刹恍业氖?，細胞的主要ATP 生產(chǎn)工廠線粒體往往成為災難發(fā)生時第一個崩潰的重要系統(tǒng)。

作為替代方案，研究團隊將四種蛋白質(zhì)和化學物質(zhì)填充到外泌體生物反應器中，這些物質(zhì)里頭最核心的就是ATP合成酶，它有助于在存在糖類的情況下幫助合成ATP。

由于細胞自身的線粒體陷于困境，研究人員便發(fā)送了重編程的外泌體。一旦融合，這些納米反應器便將細胞的能量生產(chǎn)提高了約一倍，危險的活性氧分子的水平也下降了。這表明人造細胞器可以提供一條替代生命線。

未來，科學家將探究免疫系統(tǒng)如何對這些天然生物反應器做出反應，人造細胞器又能在體內(nèi)持續(xù)多長時間，以及它們對其他生化反應的作用如何。

資料來源 singularityhub.com