Les cellules ont de petits compartiments appelés organites qui effectuent des réactions biochimiques complexes. Ces compartiments ont plusieurs enzymes qui travaillent ensemble pour exécuter des fonctions cellulaires importantes. Des chercheurs du Center for Soft and Living Matter au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) ont réussi à imiter ces compartiments spatiaux à l'échelle nanométrique pour créer des « mitochondries artificielles ». L'étude est publiée dans Catalyse naturelle comme article de couverture. Les chercheurs déclarent que la technologie peut être utilisée pour construire des organites artificiels qui peuvent fournir de l'ATP ou d'autres molécules utiles aux cellules des tissus endommagés ou malades.

Ceci a été réalisé grâce à la reprogrammation des exosomes, qui sont de petites vésicules (diamètre ~ 120 nm) que les cellules utilisent pour la signalisation intercellulaire. Les chercheurs ont réalisé les expériences en utilisant des réacteurs à gouttelettes microfluidiques, qui a généré de petites gouttelettes de taille similaire à celle des cellules typiques. (diamètre ~10 m) Les chercheurs ont d'abord cherché à faciliter la fusion contrôlée de ces exosomes au sein des gouttelettes tout en empêchant les fusions indésirables.

Ils y sont parvenus en adaptant les surfaces des exosomes avec des molécules appelées catéchol, qui est un agent chélatant qui forme des complexes avec des ions métalliques. Cela a été fait en fixant le catéchol sur des anticorps qui ciblent des marqueurs cellulaires spécifiques, tels que CD9. La propriété de formation de complexes du catéchol leur permet de provoquer des fusions entre les exosomes lorsqu'ils sont mélangés à des ions métalliques tels que Fe ³⁺ . La fusion membranaire se produit lorsque les catéchols sur les surfaces se lient au fer et rapprochent les vésicules les unes des autres.

Les chercheurs ont d'abord testé l'efficacité de ce système en chargeant un type d'exosomes avec de la calcéine-Co ²⁺ et un autre avec EDTA. Lorsque les deux vésicules fusionnent et que le contenu est mélangé, EDTA s'empare de la Co ²⁺ loin de la calcéine, ce qui permet alors à ce dernier de devenir fluorescent. L'équipe s'est rendu compte qu'elle avait réussi à détecter le signal de fluorescence, et la fusion a en outre été confirmée par le doublement du diamètre de l'exosome mesuré.

Ces exosomes personnalisés ont ensuite été préchargés avec différents réactifs et enzymes, qui les ont transformés en nano-usines biomimétiques. Cela leur permet de produire des biomolécules de grande valeur en effectuant les transformations biocatalytiques souhaitées d'une manière confinée dans l'espace, ce qui n'est pas possible avec des tubes à essai de laboratoire conventionnels. L'équipe a démontré cette fonction de cascade biocatalytique multienzymatique en encapsulant de la glucose oxydase (GOx) et de la peroxydase de raifort (HRP) à l'intérieur des exosomes. Le GOx convertit d'abord le glucose en acide gluconique et en peroxyde d'hydrogène. Le HRP utilise à son tour le peroxyde d'hydrogène généré dans la première réaction pour oxyder Amplex Red en un produit fluorescent, résorufine. Les chercheurs ont même pu aller plus loin en ajoutant une troisième enzyme, galactosidase qui transforme le lactose en glucose, dans le mélange.

Prochain, les chercheurs voulaient savoir exactement dans quelle mesure ces mini réacteurs peuvent être absorbés et internalisés par les cellules. Les cellules dérivées de tissus mammaires humains ont été nourries avec des nanoréacteurs d'exosomes fusionnés, et leur internalisation au cours des 48 heures suivantes a été observée à l'aide de divers marqueurs et d'un microscope confocal à balayage laser (CLSM). Il a été découvert que les cellules étaient capables d'absorber ces exosomes personnalisés principalement par endocytose, ainsi que de nombreux autres mécanismes. Ils ont en outre testé le système enzymatique GOx-HRP à deux dans les cellules, et il a été constaté que les exosomes fusionnés étaient capables de fabriquer avec succès des produits fluorescents même lorsqu'ils étaient à l'intérieur des cellules.

Armé de cette connaissance, l'équipe a cherché à créer des mitochondries artificielles fonctionnelles capables de produire de l'énergie à l'intérieur des cellules. Pour y parvenir, ATP synthase et bo 3 oxydase ont été reconstitués dans les exosomes antérieurs contenant GOx et HRP, respectivement. Ces exosomes ont à leur tour été fusionnés pour créer des nanoréacteurs capables de produire de l'ATP à l'aide de glucose et de dithiothréitol (DTT). Il a été découvert que les exosomes fusionnés étaient capables de pénétrer profondément dans la partie centrale d'un tissu sphéroïde solide et de produire de l'ATP dans son environnement hypoxique. Les activités de ces organites simples étaient accompagnées d'une réduction marquée de la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). En revanche, les enzymes libres étaient incapables de pénétrer à l'intérieur de ces sphéroïdes de cellules étroitement emballés.

"Pris ensemble, nos résultats mettent en évidence le potentiel de ces exosomes en tant que nanoréacteurs dans la régulation de l'activité métabolique des cellules à l'intérieur des sphéroïdes, et en atténuant les dommages cellulaires dus à l'hypoxie, " note CHO Yoon-Kyoung, l'auteur correspondant de l'étude. On espère que d'autres recherches sur ces organites artificiels présenteront un nouveau paradigme dans divers domaines tels que le diagnostic et le traitement des maladies, biotechnologie, Médicament, et l'environnement.