In den Zellen höherer Lebewesen erfüllen Organellen wie der Zellkern oder die Mitochondrien verschiedene lebensnotwendige Funktionen. Im Verbund mit dem Swiss Nanoscience Institute (SNI) und dem NCCR Molecular Systems Engineering arbeitet die Gruppe um Prof. Cornelia Palivan vom Departement Chemie der Universität Basel daran, künstliche Organellen im Labor herzustellen, die sich in Zellen einschleusen und durch äußere Faktoren – wie zum Beispiel Änderungen des pH-Wertes oder reduktiver Bedingungen – steuern lassen.
Gezielte Medikamentenfreigabe
Diese künstlichen Organellen könnten beispielsweise Enzyme enthalten, die unter bestimmten Bedingungen die Vorstufe eines pharmazeutischen Wirkstoffes in eine wirksame Substanz umwandeln und vor Ort freisetzen. Eine derartige Verabreichung würde Medikamentenmengen und Nebenwirkungen stark reduzieren. Zudem wäre eine Therapie möglich, die nur bei einer Veränderung der pathologischen Bedingungen – beispielsweise durch Wachstum eines Tumors – einsetzt.
Winzige Kapseln mit enzymatischer Fracht
Die künstlichen Organellen basieren auf winzigen Kapseln, die sich von selbst aus Polymeren in Lösung bilden und verschiedene Makromoleküle wie Enzyme einschließen können. Die beschriebenen Organellen enthielten ein Peroxidase-Enzym, das nur in Aktion tritt, wenn bestimmte Moleküle durch die Kapselwand ins Innere gelangen.
Um die Passage von Substanzen zu steuern, haben die Forscher chemisch veränderte natürliche Membranproteine in die Kapselwand integriert. Diese fungieren als Schleusen, die sich in Abhängigkeit der Glutathion-Konzentration in der Zelle öffnen.
Bei einem niedrigen Glutathion-Wert bleiben die Poren der Membranproteine geschlossen. Steigt die Konzentration, öffnet sich die Poren und Substanzen können ins Innere der künstlichen Organellen gelangen. Dort werden sie durch das eingeschlossene Enzym umgewandelt und das gewünschte Reaktionsprodukt kann die Kapseln durch die offene Schleuse verlassen.
Funktion auch im lebenden Organismus
In Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Jörg Huwyler vom Departement Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel untersuchten die Wissenschaftler die künstlichen Organellen auch in vivo. „Wir konnten diese künstlichen, steuerbaren Organellen nun erstmals in die Zellen eines lebenden Organismus integrieren“, berichtet Cornelia Palivan. Die Forscher wählten dafür Zebrafischembryonen, bei denen sich aufgrund ihres transparenten Körpers die zellulären Implantate unter dem Mikroskop sehr gut verfolgen lassen, wenn sie mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert werden.
www.nature.com/articles/s41467–018–03560-x
