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Avances en la creación de mitocondrias artificiales

Avances en la creación de mitocondrias artificiales

Un nuevo estudio publicado en Nature Catalysis, muestra una forma innovadora de salvar las células dañadas de un tejido deseado. Los protagonistas de este estudio son los exosomas: unas pequeñas vesículas de grasa que todas nuestras células liberan y utilizan para comunicarse. Modificando y fusionando estas vesículas, denominadas exosomas, se podrían crear mitocondrias artificiales. 

Estas vesículas extracelulares están involucradas en un mecanismo a través del cual una célula de origen le transmite un mensaje a otra receptora. El contenido de los exosomas, se puede reemplazar y así, alterar las señales que recibirán las células receptoras.

En esta investigación se modificaron las membranas de los exosomas para convertirlos en un ejército de nanobiorreactores. Se trata de un proceso de mezclado y combinación aparentemente sencillo: cada exosoma tiene en su interior una sustancia biólogica y químicamente particular, propia de la célula de origen. Al juntar dos exosomas, el contenido de cada una de ellas se fusiona en una única vesícula, permitiendo que las dos sustancias, diferentes en composición, reaccionen. De esta forma los exosomas fusionados podrían actuar como mitocondrias artificiales. 

«Generamos un componente artificial que puede comunicarse eficazmente dentro del sistema vivo», dijeron los autores en Singularity Hub.

Los resultados fueron sorprendentes. Los nanobiorreactores  construidos mediante la fusión de dos exosomas bombeaban energía en forma de moléculas, llamadas ATP, dentro de las células vivas del tejido donde se lo insertaba. La liberación de energía salvó a las células dañadas, al proporcionarles el ATP necesario para reparar el daño que, de otro modo, conduciría a la muerte celular.
Los nanobiorreactores son una nueva forma de manipular el funcionamiento interno de la célula. Y podrían recuperar tejidos del envejecimiento celular o del cáncer.

«Este enfoque podría abordar retos importantes de la biología sintética ascendente y la ingeniería bioinspirada», expresaron los investigadores.

Sin duda, este estudio representa un avance en la creación de sistemas artificiales semejantes a las propias organelas de nuestras células, en este caso, de las mitocondrias.

 

¿Qué son las organelas y por qué son tan importantes?

Cada una de nuestras células es básicamente un organismo vivo en sí mismo, donde sus órganos son las organelas. Cada organela tiene una estructura y función particular.

Si miramos dentro de una célula, en el centro está el núcleo que contiene el ADN y alrededor una serie de diversas organelas, donde cada una cumple una función indispensable para la vida, por ejemplo, los lisosomas descomponen los residuos celulares y las mitocondrias están encargadas de generar energía. Cada organela constituye un microentorno, de modo que pueden funcionar de forma semiindependiente.

Básicamente, las organelas permiten que las células realicen muchas tareas en simultáneo, cada una es como un biorreactor. Pero, ¿qué sucede si una daña? Sería como que no nos funcionara uno de los órganos de nuestro cuerpo y necesitáramos un trasplante.

¿Podemos sustituir una organela por otra artificial?

La biología sintética entra en escena. Se conoce desde hace tiempo las reacciones bioquímicas complejas que se llevan a cabo el interior de la mitocondria. Tenemos el mapa. El problema es que diseñarlo desde cero, crear los recorridos y que todos se conecten donde deben hacerlo y no en otro lado, no es tan sencillo.  Con esto en mente, los investigadores probaron fusionar dos estructuras existentes en vez de diseñar una nueva.

Los exosomas se forman dentro de las células pero luego son expulsados por ellas al espacio extracelular para que liberen su contenido cerca de otra célula. Son como grandes envoltorios que se pueden rellenar con diferentes sustancias químicas y  con las instrucciones de hacia donde se tienen que dirigir. Además, con algunas modificaciones en la membrana que envuelve el contenido, los exosomas se pueden fusionar generando una única vesícula con ambas sustancias y desencadenar una reacción deseada al momento de la fusión.

El sistema artificial creado puede estar en el tejido deseado sin que las células lo noten, como un agente oculto. Solo reaccionan generando el producto final, cuando reciben la señal para que se fusionen.

 

¿En algún momento se nos termina la energía celular?

El principal órgano de la célula (organela) productor de energía es la mitocondria. Y su funcionamiento disminuye a medida que envejecemos  y en enfermedades particulares como el cáncer. Estos desperfectos celulares pueden provocar daños en los tejidos, y a su vez deteriorar el corazón, los músculos y la mente.

¿Podemos aumentar la energía celular artificialmente?

Cuando los tejidos se deterioran las células no tienen los niveles de oxígeno que necesitan. Y acumulan sustancias tóxicas, como las  especies reactivas de oxígeno (ROS). Una forma de intentar eliminarlas y volver al equilibrio es aumentando los recursos energéticos de la célula. Y para eso la mitocondria, que es la fábrica de producción de ATP de la célula, trabaja de forma exigida y se deteriora.

Queriendo salvar esta situación, los investigadores introdujeron cuatro proteínas, siendo la principal la ATPsintasa que ayuda a sintetizar ATP en presencia de azúcar, y sustancias químicas en biorreactores de exosomas.  Estos sistemas reprogramados, una vez fusionados, multiplicaron casi por dos la producción de energía de la célula a la cual fueron dirigidos, actuando notablemente como una mitocondria artificial. De esta manera, los niveles de las  moléculas ROS se redujeron y la organela artificial de reemplazo proporcionó un salvavidas.

«Hasta donde sabemos, no hay estudios que informen de esta ventaja relacionada con la fusión de exosomas», afirman los autores en Singularity Hub.

El paso próximo es estudiar cómo responde el sistema inmune a estos biorreactores naturales, cuánto tiempo duran en el interior del cuerpo y qué tan bien funcionan para otras reacciones bioquímicas. Pero gracias al modo «plug-and-play» del sistema artificial generado tenemos una forma nueva posible de controlar y reprogramar la vida de una célula viva.

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