Segnato un passo decisivo per la costruzione di cellule artificiali fotosintetiche energicamente indipendenti

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La realizzazione di cellule artificiali serve a comprendere come funzionavano le prime cellule primitive e ci fornisce una via per comprendere meglio come funzionano le cellule evolute attuali. Molti sistemi subcellulari si ottengono semplicemente mescolando insieme i componenti cellulari. Tuttavia, le cellule viventi reali costruiscono e organizzano i propri componenti. Uno degli obbiettivi a lungo termine della ricerca in campo citologico è proprio quello di riuscire a costruire cellule artificiali in grado di sintetizzare i propri componenti utilizzando l’energia disponibile nell’ambiente.

Il team del Tokyo Tech ha combinato un sistema di sintesi proteica priva di cellule, costituito da varie macromolecole biologiche raccolte da cellule viventi e piccoli aggregati proteici-lipidi chiamati proteoliposomi, che contenevano le proteine ​​ATP sintetasi e batteriorodopsina, purificate anche dalle cellule viventi, all’interno di giganti vescicole sintetiche. L’ATP sintetasi è un complesso di proteine ​​biologiche che utilizza la differenza di potenziale energetica tra il liquido all’interno di una cellula e il liquido nell’ambiente cellulare per produrre la molecola adenosina trifosfato (ATP), che è la valuta energetica della cellula. La batteriorodopsina è una proteina che i microbi primitivi utilizzano per raccogliere la luce la cui energia viene utilizzata per trasportare ioni idrogeno al di fuori della cellula, generando così una potenziale differenza di energia per aiutare l’ATP sintetasi a funzionare.

In pratica, queste cellule artificiali sarebbero in grado di utilizzare la luce per creare un gradiente di ioni idrogeno che aiuterebbe le cellule ad utilizzare il loro combustibile per far funzionare i sub-cellulari, anche a produrre altre proteine.

Proprio come speravano gli scienziati, l’ATP fotosintetizzato viene utilizzato come substrato per la trascrizione, il processo mediante il quale la biologia produce l’RNA messaggero (mRNA) dal DNA e come fonte di energia per la traduzione, il processo mediante il quale la biologia produce proteine ​​dall’mRNA. Includendo anche i geni per le parti della ATP sintetasi e la batteriogenopsina leggera, questi processi conducono anche alla sintesi di altra batteriorodopsina e delle proteine ​​costituenti dell’ATP sintetasi, alcune delle quali sono state incluse per “far ripartire” la proteoliposoma. Le nuove parti di batteriorodopsina e ATP sintetasi si sono poi integrate spontaneamente negli organelli fotosintetici artificiali e hanno ulteriormente potenziato l’attività di fotosintesi dell’ATP.

Il professor Kuruma ha affermato: “Ho cercato per molto tempo di costruire una cellula artificiale vivente, concentrandomi soprattutto sulle membrane. In questo lavoro, le nostre cellule artificiali sono state avvolte in membrane lipidiche e piccole strutture di membrana sono state incapsulate al loro interno. La membrana cellulare è l’aspetto più importante della formazione di una cellula e ho voluto mostrare l’importanza di questo punto nello studio delle cellule artificiali e del feedback degli studi sulle origini della vita.”

Kuruma ritiene che il punto di maggior impatto di questo lavoro sia che le cellule artificiali possono produrre energia per sintetizzare le parti della cellula stessa. Ciò significa che le cellule artificiali potrebbero essere rese energeticamente indipendenti e quindi sarebbe possibile costruire cellule autosufficienti, proprio come le cellule biologiche reali. “La cosa più impegnativa in questo lavoro è stata la fotosintesi delle parti di batteriorodopsina e ATP sintetasi, che sono proteine ​​di membrana. Abbiamo cercato di fotosintetizzare una piena ATP sintetasi, che ha 8 tipi di proteine ​​come componenti, ma non abbiamo potuto a causa della bassa produttività del sistema di sintesi proteica cell-free, che, se fosse potenziato, potremmo fotosintetizzare tutte le 8 proteine ​​del tipo di componenti.”

Questo lavoro dimostra che un semplice sistema biologicamente ispirato che include due tipi di proteine di membrana è in grado di fornire energia sufficiente per guidare l’espressione genica all’interno di un microcompartimento. Da questo, possiamo dedurre che potevano esistere nelle prime fasi dell’evoluzione della vita cellule primordiali che utilizzavano la luce solare come fonte di energia primitiva, prima che apparissero le moderne cellule autotrofe.

Il team ritiene che i tentativi di costruire cellule artificiali viventi aiuteranno a capire la transizione dalla materia non vivente a quella vivente che si è verificata sulla Terra e aiutano a sviluppare dispositivi basati sulla biologia in grado di percepire la luce e guidare le reazioni biochimiche. Questi sistemi cellulari artificiali fotosintetici mirano, come traguardo finale, a trovare la strada per costruire cellule artificiali energeticamente indipendenti.

Fonte: Nature Communications