Hur installerar man nya funktioner i celler utan att störa deras metaboliska processer? Ett team från Technical University of München (TUM) och Helmholtz Zentrum München har förändrat däggdjursceller på ett sådant sätt att de bildade konstgjorda fack där sekvestrerade reaktioner kunde äga rum, möjliggör detektering av celler djupt i vävnaden och även deras manipulation med magnetfält.

Prof. Gil Westmeyer, Professor i molekylär avbildning vid TUM och chef för en forskargrupp vid Helmholtz Zentrum München, och hans team åstadkom detta genom att introducera i mänskliga celler den genetiska informationen för att producera bakteriella proteiner, så kallade encapsulins, som självmonteras till nanosfärer. Denna metod gjorde det möjligt för forskarna att skapa små, fristående utrymmen — konstgjorda cellulära fack — inuti däggdjursceller.

Skyddade områden med nya fastigheter

De små sfärernas stora styrka är att de är ogiftiga för cellen och enzymatiska reaktioner kan ske inuti dem utan att störa cellens metaboliska processer. "En av systemets avgörande fördelar är att vi genetiskt kan kontrollera vilka proteiner, till exempel, fluorescerande proteiner eller enzymer, är inkapslade i det inre av nanosfärerna, " förklarar Felix Sigmund, studiens första författare. "Vi kan alltså rumsligt separera processer och ge cellerna nya egenskaper."

Men nanosfärerna har också en naturlig egenskap som är särskilt viktig för Westmeyers team:De kan ta in järnatomer och bearbeta dem på ett sådant sätt att de stannar kvar inne i nanosfärerna utan att störa cellens processer. Denna sekvestrerade järnbiomineralisering gör partiklarna och även cellerna magnetiska. "Att göra celler synliga och styrbara på distans genom att göra dem magnetiska är ett av våra långsiktiga forskningsmål. De järninnehållande nanoavdelningarna hjälper oss att ta ett stort steg mot detta mål, " förklarar Westmeyer.

Magnetisk och praktisk

Särskilt, detta kommer att göra det lättare att observera celler med olika avbildningsmetoder:Magnetiska celler kan också observeras i djupa lager med metoder som inte skadar vävnaden, såsom magnetisk resonanstomografi (MRT). I samarbete med Dr Philipp Erdmann och Prof. Jürgen Plitzko från Max Planck Institute of Biochemistry, teamet kunde dessutom visa att nanosfärerna också är synliga i högupplöst kryoelektronmikroskopi. Den här funktionen gör dem användbara som genrapportörer som direkt kan markera cellidentiteten eller cellstatusen i elektronmikroskopi, liknande de vanligen använda fluorescerande proteinerna i ljusmikroskopi. Dessutom, det finns till och med ytterligare fördelar:Celler som är magnetiska kan systematiskt styras med hjälp av magnetfält, så att de kan sorteras och separeras från andra celler.

Användning i cellterapi tänkbar

En möjlig framtida användning av de konstgjorda cellulära facken är, till exempel, cellimmunterapier, där immunceller är genetiskt modifierade på ett sådant sätt att de selektivt kan förstöra en patients cancerceller. Med de nya nanoavdelningarna inuti de manipulerade cellerna, cellerna skulle i framtiden möjligen kunna lokaliseras lättare via icke-invasiva avbildningsmetoder. "Med hjälp av de modulärt utrustade nanoavdelningarna, vi kanske också kan ge de genetiskt modifierade cellerna nya metaboliska vägar för att göra dem mer effektiva och robusta, " förklarar Westmeyer. "Det finns naturligtvis många hinder som måste övervinnas i prekliniska modeller först, men förmågan att genetiskt kontrollera modulära reaktionskärl i däggdjursceller kan vara till stor hjälp för dessa tillvägagångssätt."