Kunstmatige organellen op basis van hybride eiwitnanodeeltjes

Compartimentering is een van de belangrijkste strategieën waarmee de natuur controle over veel biologische processen mogelijk maakt. Voor het goed functioneren van levende cellen zijn organellen, kleine compartimenten in de cel, essentieel. Onderzoekers werken aan manieren om kunstmatige organellen te maken die nieuwe functionaliteiten aan cellen toevoegen of disfunctionele processen in cellen corrigeren, bijvoorbeeld als therapie voor stofwisselingsziekten. Dit kan worden bereikt door synthetische componenten te gebruiken om kunstmatige organellen buiten de cel te produceren of door componenten te gebruiken die in de cel zijn gemaakt. En het is de laatste benadering die Suzanne Timmermans verkende voor haar Ph.D. onderzoek door het gebruik van eiwit nanodeeltjes.

Domeinen stabiliseren

Voor haar Ph.D. onderzoek gebruikte Suzanne Timmermans eiwitnanodeeltjes om kunstmatige organellen te ontwikkelen die nieuwe taken in de cel zouden kunnen doen. Deze microscopisch kleine deeltjes zijn samengesteld uit virale capsiden (de eiwitschillen van virussen) waaraan een stabiliserend eiwitdomein is toegevoegd.

Timmermans toonde aan dat de nanodeeltjes langdurig stabiel zijn onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in cellen. Dit is cruciaal voor het correct functioneren van een kunstmatig organel, aangezien het zeer destructief zou zijn als het zou uiteenvallen en zijn functie in de cel zou verliezen. Bovendien stellen de stabiliserende domeinen de nanodeeltjes in staat om te reageren op hun omgeving door hun grootte te veranderen. De natuurlijke processen in de cel vertonen vaak dergelijk responsief gedrag, dus het is erg belangrijk om dit na te bootsen.

Actieve component

Om een ​​bepaalde functie in de cel te hebben, moet een kunstorganel een actieve component bevatten. Enzymen zijn uitstekende kandidaten, omdat deze eiwitkatalysatoren door cellen kunnen worden geproduceerd, ze van nature actief zijn in cellen en er veel enzymen met allerlei functionaliteiten bekend zijn.

De eiwitnanodeeltjes die Timmermans gebruikt, bestaan ​​uit een lege kern. Ze toonde aan dat het mogelijk is om enzymen in die kern in te kapselen. Dit werd zowel buiten cellen als binnen levende cellen bereikt. Met name de laatste bevinding is veelbelovend voor de ontwikkeling van een kunstmatig organel.

Gunstig effect op en in cellen

Tot slot evalueerde Timmermans of de kunstmatige organellen een gunstig effect hebben op en in cellen. Ten eerste gebruikte ze de activiteit van de ingekapselde enzymen voor de productie van een verbinding die door de cel zou kunnen worden gebruikt om een ​​bepaald eiwit te produceren. Vervolgens evalueerde ze of inkapseling in het kunstmatige organel het enzym zou kunnen beschermen tegen snelle afbraak door zogenaamde proteasen. Dit aspect van het project bleek zeer uitdagend om te bewijzen, en dit project is nog in ontwikkeling.

Al met al heeft het onderzoek van Timmermans geavanceerde kennis over de ontwikkeling van kunstmatige organellen die in cellen worden geproduceerd. Belangrijke uitdagingen die nog moeten worden overwonnen, zijn de realisatie van de activiteit van de kunstmatige organellen in cellen, de regulatie van deze activiteit door specifieke signalen en de detectie van de organellen in cellen. Door samen te werken met verschillende wetenschappelijke disciplines en gebruik te maken van de ontwikkelingen die zijn gemaakt met andere eiwitnanodeeltjes, hoopt Timmermans dat deze hordes in de toekomst kunnen worden genomen.