식물

Nature 612권, 546~554페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

불충분한 세포내 동화작용은 신체의 많은 병리학적 과정에 관여하는 중요한 요소입니다1,2. 세포내 물질의 동화작용에는 충분한 세포내 에너지의 소비와 환원성 물질의 생산이 필요합니다. ATP는 세포의 생물학적 과정을 위한 '에너지 통화' 역할을 하며3,4 환원된 형태의 NADPH는 동화작용에 환원력을 제공하는 주요 전자 기증자입니다5. 병리학적 조건에서는 손상된 동화작용을 교정하고 부족한 ATP 및 NADPH 수준을 최적의 농도로 증가시키는 것이 어렵습니다1,4,6,7,8. 여기서 우리는 나노틸라코이드 단위(NTU)를 기반으로 하는 독립적이고 제어 가능한 나노 크기의 식물 유래 광합성 시스템을 개발합니다. 종간 응용을 가능하게 하기 위해 우리는 위장 캡슐화를 위해 특정 성숙한 세포막(연골세포막(CM))을 사용합니다. 개념 증명으로 우리는 이러한 CM-NTU가 막 융합을 통해 연골 세포에 들어가고 리소좀 분해를 피하며 빠른 침투를 달성한다는 것을 보여줍니다. 또한, CM-NTU는 빛에 노출된 후 현장에서 세포내 ATP 및 NADPH 수준을 증가시키고 퇴행성 연골 세포의 동화작용을 향상시킵니다. 또한 에너지 불균형을 체계적으로 교정하고 세포 대사를 회복하여 연골 항상성을 개선하고 골관절염의 병리학적 진행을 예방할 수 있습니다. 퇴행성 질환에 대한 우리의 치료 전략은 주요 에너지 및 대사 운반체를 독립적으로 제공함으로써 세포 동화작용을 제어 가능하게 향상시킬 수 있는 천연 광합성 시스템을 기반으로 합니다. 이 연구는 또한 질병 치료를 위한 생물 유기체 및 복합 생체 재료의 준비 및 적용에 대한 향상된 이해를 제공합니다.

병리학적 조건에서는 세포 내 에너지와 환원 등가물이 부족합니다1,2. 트리카르복실산(TCA) 주기는 대부분의 포유류 세포에서 ATP 생성을 위한 주요 에너지 대사 과정입니다3,4. 따라서 TCA 주기를 표적으로 삼는 개입은 병리학적 상태에서 조절되지 않은 ATP 공급을 바로잡을 가능성이 있습니다. 그러나 TCA 회로에는 다양한 대사 네트워크가 관련되어 있으며, 내인성 경로를 변경하는 특정 인자의 전달로 인해 세포 사멸이 발생할 수도 있습니다6. 또한, 외인성 ATP의 직접적인 공급은 세포 대사에 거의 영향을 미치지 않습니다7. 환원된 형태의 NADPH는 합성 반응 및 산화환원 균형에 대한 환원력을 제공할 수 있습니다5. 세포 내 NADPH 수준은 여러 대사 경로(즉, 5탄당 인산 경로, 지방산 산화 및 글루타민 대사)의 생성 및 활용을 통해 조절되며, 이러한 경로를 표적으로 하는 직접적인 개입은 세포 대사 불균형을 초래할 수 있습니다1,4. 더욱이, NADPH는 비싸며, NADPH의 통제되지 않은 공급은 세포독성 슈퍼옥사이드의 생성을 유발할 수 있으며, 이는 결국 산화 스트레스를 초래할 수 있습니다. 이러한 특성은 NADPH8의 임상 적용을 제한합니다. 따라서 세포 동화작용을 향상시키기 위해서는 제어 가능하고 독립적인 ATP 및 NADPH 자체 공급 시스템을 구축하는 것이 중요합니다. 우리는 질병 치료에 사용할 수 있는 체계적인 최상위 설계 전략을 제안합니다.

ATP 및 NADPH 생산을 위한 자연 시스템을 활용하면 새로운 응용이 가능해집니다. ATP 합성효소가 포함된 합성 리포솜은 양성자 구배를 설정하고 ATP 합성을 유도할 수 있습니다9,12. 이전 연구에서는 또한 시금치의 틸라코이드 막과 인공 생물학적 네트워크를 결합하여 미세한 수준에서 광합성 동화작용 반응을 실현했습니다. 그러나 세포 동화작용을 개선하기 위한 제어 가능하고 독립적인 자연 광합성 시스템의 사용은 아직 달성되지 않았습니다. 생체 내 생물학적 활성 조직의 종간 이식 역시 신체에 의한 제거 및 거부 반응을 극복해야 합니다. 인체에서는 세포 수준에서 다양한 유형의 면역 관련 세포(주로 대식세포)가 이물질 제거를 담당합니다15. 세포하 수준(소기관)에서 리소좀은 식세포작용과 용해를 통해 이물질을 소화하고 제거합니다16. 따라서 기능적 종간 적용 전략을 달성하기 위해 포유류 신체에서 자연 광합성 시스템의 거부 및 제거를 피하는 것은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다.