Forskeren konstruerer kunstige fotosyntetiske celler

Et team ledet af lektor Yutetsu Kuruma fra Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology har konstrueret enkle kunstige celler, der kan producere kemisk energi, der hjælper med at syntetisere dele af cellerne selv. Dette arbejde markerer en vigtig milepæl i konstruktionen af ​​fuldt fotosyntetiske kunstige celler, og kan belyse, hvordan urceller brugte sollys som energikilde tidligt i livets historie.

Forskere bygger kunstige celler som modeller af primitive celler, samt at forstå, hvordan moderne celler fungerer. Mange subcellulære systemer er nu blevet bygget ved blot at blande cellekomponenter sammen. Imidlertid, virkelige levende celler konstruerer og organiserer deres egne komponenter. Det har også længe været et mål med forskning at bygge kunstige celler, der også kan syntetisere deres egne bestanddele ved hjælp af den tilgængelige energi i miljøet.

Tokyo Tech-teamet kombinerede et cellefrit proteinsyntesesystem, som bestod af forskellige biologiske makromolekyler høstet fra levende celler, og små protein-lipider-aggregater kaldet proteoliposomer, som indeholdt proteinerne ATP -syntase og bakteriorhodopsin, også renset fra levende celler, inde i kæmpe syntetiske vesikler. ATP -syntase er et biologisk proteinkompleks, der anvender den potentielle energiforskel mellem væsken inde i en celle og væsken i cellens miljø til at lave molekylet adenosintrifosfat (ATP), som er cellens energivaluta. Bacteriorhodopsin er et let høstende protein fra primitive mikrober, der bruger lysenergi til at transportere brintioner uden for cellen, og dermed generere en potentiel energiforskel for at hjælpe ATP -syntase med at fungere. Dermed, disse kunstige celler ville være i stand til at bruge lys til at lave en hydrogeniongradient, der ville hjælpe med at få brændselscellerne til at køre deres subcellulære systemer, herunder at lave mere protein.

Ligesom forskerne håbede, den fotosyntetiserede ATP blev brugt som et substrat til transkription, den proces, ved hvilken biologi laver messenger -RNA (mRNA) fra DNA, og som energikilde til oversættelse, den proces, ved hvilken biologi laver protein fra mRNA. Ved også at inkludere generne for dele af ATP-syntasen og lyshøstende bakteriorhodopsin, disse processer driver også til sidst syntesen af ​​mere bacteriorhodopsin og de bestanddele, der består af ATP -syntase, et par eksemplarer af disse blev inkluderet for at "starte" proteoliposomet. De nydannede bakteriorhodopsin- og ATP -syntasedele blev derefter spontant integreret i de kunstige fotosyntetiske organeller og yderligere forbedret ATP -fotosynteseaktivitet.

Professor Kuruma siger, "Jeg har længe forsøgt at konstruere en levende kunstig celle, især fokus på membraner. I dette arbejde, vores kunstige celler blev pakket ind i lipidmembraner, og små membranstrukturer blev indkapslet inde i dem. På denne måde, cellemembranen er det vigtigste aspekt ved dannelse af en celle, og jeg ville vise vigtigheden af ​​dette punkt i studiet af kunstige celler og feedback i livsstudiernes oprindelse. "

Kuruma mener, at det mest indflydelsespunkt ved dette arbejde er, at kunstige celler kan producere energi til at syntetisere selve cellens dele. Dette betyder, at de kunstige celler kunne blive gjort til at være energisk uafhængige, og så ville det være muligt at konstruere selvbærende celler, ligesom de egentlige biologiske celler. "Det mest udfordrende ved dette arbejde var fotosyntesen af ​​bakteriorhodopsin og ATP -syntasedele, som er membranproteiner. Vi forsøgte at fotosyntetisere en fuld ATP -syntase, som har 8 slags komponentproteiner, men vi kunne ikke på grund af den lave produktivitet af det cellefrie proteinsyntesesystem. Men, hvis den blev opgraderet, vi kan fotosyntetisere hele 8 slags komponentproteiner. "

Alligevel, dette arbejde viser, at et simpelt biologisk inspireret system inklusive to slags membranprotein er i stand til at levere energi til at drive genekspression inde i et mikrorum. Dermed, urceller, der brugte sollys som en primær energikilde, kunne have eksisteret tidligt i livets udvikling, før moderne autotrofiske celler opstod. Teamet mener, at forsøg på at konstruere levende kunstige celler vil hjælpe med at forstå overgangen fra ikke-levende til levende stof, der fandt sted på den tidlige jord og, hjælpe med at udvikle biologibaserede enheder, der kan fornemme lys og drive biokemiske reaktioner. Disse kunstige fotosyntetiske cellesystemer hjælper også med at bane vejen til at konstruere energisk uafhængige kunstige celler.