211service.com
Komórka na chipie
Heparyna jest szeroko stosowana w zapobieganiu krzepnięciu krwi w procedurach medycznych, od dializy po operacje na otwartym sercu. Z rynkiem o wartości 6 miliardów dolarów jest to obecnie jeden z najpopularniejszych leków stosowanych w szpitalach. Jednak jej szerokie zastosowanie przeczy jej prymitywnemu pochodzeniu: ponad 90 lat po odkryciu heparyna wciąż jest wytwarzana z jelit wieprzowych. Ale nowy chip mikroprzepływowy, który naśladuje działanie jednego z najbardziej tajemniczych organów komórki, może to zmienić. Naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute w Troy w stanie Nowy Jork stworzyli pierwsze sztuczne organelle komórkowe i wykorzystują je, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób organizm ludzki wytwarza heparynę.
Fałszywa komórka: Ten chip mikroprzepływowy może replikować aktywność jednego z najważniejszych, choć najmniej poznanych organelli komórki eukariotycznej – aparatu Golgiego. Naukowcy mają nadzieję, że pomoże im to zrozumieć, jak tworzyć syntetyczne wersje ważnych leków, takich jak heparyna.
Naukowcy pracują nad stworzeniem syntetycznej wersji leku, ponieważ obecna metoda produkcji sprawia, że jest on podatny na skażenie – w 2008 roku taki incydent spowodował śmierć wielu osób. Ale lek okazał się niezwykle trudny do wytworzenia w laboratorium.
Duża część tajemnicy produkcji heparyny wynika z miejsca jej naturalnej syntezy: organelli komórkowej zwanej aparatem Golgiego, która przetwarza i pakuje białka w celu transportu z komórki, dekorując białka cukrami w celu wytworzenia glikoprotein. Dokładnie, jak to się dzieje, umknęło pokoleniom naukowców. Golgi został odkryty ponad 100 lat temu, ale to, co dzieje się w jego wnętrzu, to wciąż czarna skrzynka, mówi Robert Linhardt , biotechnolog z Rensselaer, który pracuje nad heparyną od prawie 30 lat i jest głównym autorem nowego badania. Białka wchodzą, glikoproteiny wychodzą. Znamy teraz zaangażowane enzymy, ale tak naprawdę nie wiemy, jak są kontrolowane.
Aby lepiej zrozumieć, co dzieje się w Golgach, Linhardt i jego koledzy postanowili stworzyć własną wersję. Rezultat: pierwsze znane sztuczne organelle komórkowe, mały chip mikroprzepływowy, który naśladuje niektóre działania aparatu Golgiego. Urządzenie cyfrowe pozwala naukowcom kontrolować ruch pojedynczej mikroskopijnej kropli, podczas gdy dodają enzymy i cukry, rozdzielają kropelki i powoli budują łańcuch cząsteczek, taki jak heparyna. Możemy zasadniczo kontrolować proces, tak jak Golgi kontroluje proces, mówi Linhardt. Myślę, że mamy naprawdę sztuczną wersję Golgiego. Moglibyśmy zaprojektować coś, co działa jak organelle i nim sterować. Następnym krokiem jest wykonanie bardziej skomplikowanych kombinacji reakcji.
Ludzie mieli trochę narzędzi do wytwarzania tych ważnych węglowodanów, ale jedną rzeczą, którą powinieneś potencjalnie zrobić, jest próba naśladowania natury lub przynajmniej wymyślenia, jak to działa, mówi Paul DeAngelis , biochemik i biolog molekularny z University of Oklahoma, który nie był zaangażowany w badania. Miniaturyzacja, którą robią – mając małe bąbelki płynnego bezpiecznika i przechodzą do różnych przedziałów z różnymi katalizatorami w różnych warunkach – tak działa twoje ciało i aparat Golgiego. To fajny model.
Obecnie naukowcy wiedzą, jak wygląda heparyna i jakie enzymy są potrzebne do jej wytworzenia, ale nie do końca wiedzą w jaki sposób jest zrobione. To tak, jakby mieć wszystkie materiały i narzędzia potrzebne do budowy domu i wiedzieć, jak wygląda ostateczny dom, a następnie mieć kogoś, kto powie: „Dobra, zbuduj dom”, mówi Linhardt. Potrzebujemy planu. Musimy wiedzieć, jak te narzędzia współdziałają ze sobą, jak składa się dom. Porównuje chip mikroprzepływowy do szpuli do budowy domu, która mówi nam, jak wbijać gwoździe, jak piłować, jak montować rozpórki, jak wstawiać ściany. Testując różne ilości odczynników o różnym czasie reakcji, sztuczny Golgi może być w stanie nauczyć ich, jak syntetyzować heparynę i inne molekuły w warunkach laboratoryjnych.
To połączenie inżynierii i biologii, mówi Jeffrey Esko, glikobiolog z University of California w San Diego. Można to zrobić w probówkach, ale chip umożliwia automatyzację procesu w mikroskali. Chip pozwala również na precyzyjną kontrolę nad każdą indywidualną interakcją i to na małą skalę.
Z pomocą swojego mikroczipa i znacznego finansowania z National Institutes of Health, Linhardt uważa, że powinni być w stanie wprowadzić bioinżynieryjną heparynę do badań klinicznych w ciągu najbliższych pięciu lat.