Uma planta

Nature volume 612, páginas 546–554 (2022) Cite este artigo

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O anabolismo intracelular insuficiente é um fator crucial envolvido em muitos processos patológicos no organismo1,2. O anabolismo de substâncias intracelulares requer o consumo de energia intracelular suficiente e a produção de equivalentes redutores. O ATP atua como uma 'moeda de energia' para processos biológicos nas células3,4, e a forma reduzida de NADPH é um doador de elétrons chave que fornece poder redutor para o anabolismo5. Em condições patológicas, é difícil corrigir o anabolismo prejudicado e aumentar os níveis insuficientes de ATP e NADPH para concentrações ótimas1,4,6,7,8. Aqui nós desenvolvemos um sistema fotossintético derivado de plantas de nanodimensionamento independente e controlável baseado em unidades nanotilacoides (NTUs). Para permitir aplicações entre espécies, usamos uma membrana de célula madura específica (a membrana de condrócitos (CM)) para encapsulamento de camuflagem. Como prova de conceito, demonstramos que esses CM-NTUs entram nos condrócitos através da fusão da membrana, evitam a degradação dos lisossomos e atingem uma penetração rápida. Além disso, os CM-NTUs aumentam os níveis intracelulares de ATP e NADPH in situ após a exposição à luz e melhoram o anabolismo em condrócitos degenerados. Eles também podem corrigir sistemicamente o desequilíbrio energético e restaurar o metabolismo celular para melhorar a homeostase da cartilagem e proteger contra a progressão patológica da osteoartrite. Nossa estratégia terapêutica para doenças degenerativas é baseada em um sistema fotossintético natural que pode aumentar de forma controlada o anabolismo celular, fornecendo de forma independente energia-chave e transportadores metabólicos. Este estudo também fornece uma melhor compreensão da preparação e aplicação de bioorganismos e biomateriais compostos para o tratamento de doenças.

A energia intracelular e os equivalentes redutores são deficientes em condições patológicas1,2. O ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) é o principal processo metabólico de energia para geração de ATP na maioria das células de mamíferos3,4. Assim, as intervenções que visam o ciclo do TCA prometem corrigir o suprimento desregulado de ATP em condições patológicas. No entanto, o ciclo do TCA envolve várias redes metabólicas, e a entrega de um fator específico que altera sua via intrínseca pode até causar a morte celular6. Além disso, o fornecimento direto de ATP exógeno tem pouco efeito sobre o metabolismo celular7. A forma reduzida do NADPH pode fornecer poder redutor para reações de síntese e equilíbrio redox5. Os níveis celulares de NADPH são regulados pela produção e utilização de várias vias metabólicas (ou seja, a via das pentoses fosfato, oxidação de ácidos graxos e metabolismo da glutamina), e intervenções diretas que visam essas vias podem levar ao desequilíbrio metabólico celular1,4. Além disso, o NADPH é caro e um suprimento descontrolado de NADPH pode causar a produção de superóxido citotóxico, que por sua vez pode resultar em estresse oxidativo. Essas propriedades limitam a aplicação clínica do NADPH8. Portanto, é importante construir um sistema de auto-suprimento de ATP e NADPH controlável e independente para aumentar o anabolismo celular9,10,11. Propomos uma estratégia sistemática de design de alto nível que pode ser usada para tratar doenças.

Aproveitar os sistemas naturais para a produção de ATP e NADPH permite novas aplicações. Lipossomas sintéticos com ATP sintase podem estabelecer um gradiente de prótons e direcionar a síntese de ATP9,12. Estudos anteriores também combinaram membranas tilacoides de espinafre e redes biológicas artificiais para realizar reações anabólicas fotossintéticas em nível de microescala13,14. No entanto, o uso de um sistema fotossintético natural controlável e independente para melhorar o anabolismo celular ainda não foi alcançado. O transplante de espécies cruzadas de tecido biologicamente ativo in vivo também precisa superar a eliminação e a rejeição pelo corpo. No corpo humano, no nível celular, vários tipos de células relacionadas ao sistema imunológico (principalmente macrófagos) são responsáveis ​​pela eliminação de corpos estranhos15. No nível subcelular (organelas), os lisossomos digerem e removem corpos estranhos por fagocitose e dissolução16. Portanto, evitar a rejeição e eliminação de um sistema de fotossíntese natural no corpo dos mamíferos para alcançar uma estratégia de aplicação funcional entre espécies continua sendo um desafio.