Létrehozták az első mesterséges sejtszervecskét

Az utóbbi években több kutatócsoport is sikeresen létrehozta a sejt kulcsfontosságú részeinek, például a kromoszómáknak vagy a sejt "fehérjegyárainak", a riboszómáknak a mesterséges változatát, de teljes és működő sejtszervecskét eddig még senki nem állított elő. Robert Linhardt és a Rensselaer Polytechnic Institute kémikusai a Golgi-készülék működését modellezték egy miniatűr chipen, kilenc elektródával és a lapkára felvitt molekulákat módosító valódi enzimekkel. A mesterséges sejtszervecskével heparint, vagyis véralvadásgátló anyagot is sikerült már előállítani.

Golgi-készülék mikroszkópban

Még ma sem ismert pontosan a száz éve felfedezett sejtszervecske működése

A Camillo Golgi olasz természettudósról és orvosról elnevezett Golgi-készülék funkciója a sejt által a riboszómákban termelt fehérjék, illetve a zsírok és más makromolekulák érési reakcióinak felgyorsítása: egyszerűbben fogalmazva, a sejtben termelődő és a szervezet működéséhez nélkülözhetetlen molekulákon ez a sejtszervecske végzi el az "utolsó simításokat".

A Golgi-készülék a legtöbb eukarióta sejtben megtalálható, legfontosabb szerepe pedig talán a szekréciós (hatásukat a sejten kívül kifejtő) fehérjék működőképessé tételében van. Bár Golgi már 1898-ban azonosította ezt az apparátust, működésének pontos részletei még ma sem tisztázottak minden szempontból. Annyi biztos, hogy a Golgi-készülék belsejében található zsákocskákban a szerkezeti stabilitás és a későbbi funkcióképesség érdekében kémiailag módosulnak a fehérjék, ám még nem tudják, hogy mindez pontosan milyen mechanizmusokon keresztül megy végbe (bővebben lásd keretes anyagunkat). 

Kilenc elektróda áramoltatta a módosítani kívánt molekulákat

A Golgi-apparátus működésének alaposabb megértése érdekében Linhardt és kollégái a magyarul miniatűr chiplabornak nevezett, a kutatók körében egyre népszerűbb eljárással hozták létre a sejtszervecske mesterséges változatát. A chiplaborok (angol kifejezéssel lab-on-a-chip) olyan apró, általában mikrométeres méretű eszközrendszerek, amelyeken nem elektronokat mozgatnak vékony drótokban, mint általában, hanem egészen kisméretű folyadékcseppeket, de szintén elektromos áram segítségével (a chiplabor egy szintén a közelmúltban bejelentett alkalmazási lehetőségéről lásd korábbi cikkünket: Miniatűr labor mérné az emlőrák kockázatát). A chip felszínén történő folyadéktranszport lehetővé teszi több olyan laboratóriumi vizsgálat összevonását, amelyet egyébként külön-külön végeznének el - innen származik a chiplabor elnevezés is.

Az Amerikai Kémiai Társaság szakfolyóiratában megjelentetett tanulmányban egy négyzetmilliméteres nagyságú chiplabort alkalmaztak, amely a fehérjéket kémiailag módosító "összeszerelő" enzimek működését utánozta.  A kísérletben használt molekulákat - glükózaminoglikánokat, amelyek a Golgi-készülékben kapcsolódnak hozzá a fehérjékhez - először mágneses részecskékhez kapcsolták, amelyeket ezt megelőzően 300 nanoliter mennyiségű vizes folyadékcseppekben oldottak fel (a nanoliter a liter egymilliárdod része).

A folyadékcseppeket a chiplabor felszínére juttatták, majd elektromos áramot vezettek a lapka azon pontjára, ahová éppen el kívánták juttatni a cseppeket: ennél az elektródánál mindig egy nagyobb mágnest helyeztek el, amely a glükózaminoglikánokhoz kapcsolt mágneses részecskék vonzásával volt képes egy helyben tartani a módosítani kívánt molekulákat. A kutatók összesen kilenc elektródával érték el, hogy a folyadékcseppek átáramoljanak azokon a kamrákon, amelyek a Golgi-készülék zsákocskáinak feleltek meg, és amelyekben hozzájuk fértek az ezekben előre elhelyezett módosító enzimek.
 
Véralvadásgátló előállítására már használható a módszer

A kísérlet során a heparin nevű, véralvadásgátló gyógyszerként széles körben alkalmazott molekula inaktív előanyagát (heparán-szulfát láncok) kívánták működőképes vegyületté alakítani. A mesterséges sejtszervecske gyorsan és hatékonyan módosította a glükózaminoglikán molekulákat, amelyekből így valódi heparint sikerült előállítani - olvasható a Scientific American beszámolójában. A kutatók remélik, hogy a mesterséges Golgi-készülék a jövőben gyorsabb és biztonságosabb módszert kínál majd a heparin előállítására, amelyhez a jelenlegi eljárások állati szövetek felhasználását igénylik. 

A munkacsoport később az úgynevezett endoplazmás retikulumot (ER) is szeretné mesterséges formában előállítani: az endoplazmás retikulumban helyezkednek el a sejtek fehérjegyárainak tekinthető riboszómák, és itt megy végbe a fehérjék háromdimenziós térbeli szerkezetének kialakítása (gombolyítás, angol szóval folding) is. "Ha ez megvan, egy lépéssel még tovább mennénk: szeretnénk létrehozni a Golgi-készüléket és az endoplazmás retikulumot egyaránt tartalmazó mesterséges sejtorganellumot" - mondta Linhardt.

Szállítószalag helyett inkább szerelőcsarnokként működhet a Golgi-készülék

A Golgi-készülék belsejében hártyával körülvett lapos zsákocskák (ciszternák) találhatóak "egymásra pakolva", amelyekből egyszerre jellemzően négy-nyolc darab van jelen. Bennük találhatóak azok az enzimek, amelyek elősegítik a fehérjék szerkezeti módosításait. Az átalakítandó molekulák a sejtszervecske sejtmag felőli végén jutnak be az endoplazmatikus retikulumból érkező hólyagocskákban (vezikulumok). A hólyagocskák határolóhártyája ilyenkor összeolvad a Golgi membránjával, tartalmuk pedig megkezdi haladását a sejtszervecskén keresztül: a Golgi-apparátus különféle részein eltérő típusú enzimek találhatóak, a szükséges módosítások így a szállítmány aktuális helyétől függően mennek végbe.

A kutatók korábban úgy gondolták, hogy a Golgi-készülék egy szállítószalaghoz hasonlóan működik: a sejtmag felől bekerülnek a fehérjék, majd a sejtszervecske külső oldalán módosítva és becsomagolva távoznak. A legújabb modell szerint azonban inkább egy "szerelőcsarnokról" lehet szó, ahol a sejtszervecskén keresztülhaladó fehérjék látszólag egy helyben maradnak a ciszternákban, miközben az enzimek elvégzik rajtuk a szükséges módosításokat (erről Lőw Péter: Szállítószalag vagy szerelőcsarnok? A Golgi-készülék működésének új modellje című írásában olvashatnak bővebben)

A mesterséges sejtalkotórészek létrehozására nem a mostani az első kísérlet: szintetikus, de nagyban leegyszerűsített sejteket - sejthártyával határolt tereket - szintetikus membránokkal határolt buborékok formájában már korábban is létrehoztak, mint ahogy mesterséges kromoszómákat és riboszómákat is (az előbbit 1997-ben, utóbbit pedig idén márciusban jelentették be, részletesebben: Mesterséges fehérjegyárak készültek - újabb nagy lépés a mesterséges élet létrehozásához).

Illyés András