Forskere laver protonpumpe af respiratoriske kæder i kunstig polymermembran

Forskere fra Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, og University of Halle er et skridt nærmere en syntetisk opbygget celle. De har brugt et enzym, der findes i bakterier, til at samle en afgørende del af åndedrætskæden - essentiel for energimetabolismen i mange celler - og gjort den funktionel i en kunstig polymermembran.

At skabe kunstige celler er en af ​​de store visioner inden for både biologi og teknik. Nogle af de ambitiøse visionære genopbygger radikalt celler, der allerede findes i naturen. Andre – som Max Planck-forskerne – tager en endnu mere stenet vej. "Vi ønsker at konstruere en ny celle fra bunden ved gradvist at kombinere individuelle komponenter til et levende system med et stofskifte, " siger Ivan Ivanov, en forsker fra Kai Sundmachers arbejdsgruppe, Direktør ved Max Planck Instituttet i Magdeburg.

I en nylig undersøgelse, forskerne ledte efter en kunstig polymer, der har egenskaberne som en cellemembran og også kunne spille sin rolle i energimetabolismen. Naturlige cellemembraner, som består af fosfolipider, adskille cellens indre fra miljøet. De har både hydrofile og lipofile egenskaber og er scenen for essentielle biokemiske reaktioner, der tjener til at producere energi til cellen, blandt andet. "Inspireret af de naturlige processer fra energimetabolisme i levende organismer, vi designer skræddersyede kunstige energiorganeller fra biologiske og kemiske byggesten, der omdanner lys eller kemisk energi til ATP, " forklarer Tanja Vidaković-Koch fra Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems. Næsten alle kemiske reaktioner i cellen er drevet af ATP.

Protonpumpe i en kunstig membran

Forskerne har nu fundet en kommercielt tilgængelig polymer (det overfladeaktive stof PDMS-g-PEO), der fungerer som en membran i stedet for de naturlige fosfolipider og dermed kan danne vesikler. Sådanne vesikler "er en nyttig model til konstruktion af kunstige organeller og celler, " forklarer Rumiana Dimova, en specialist i biomembraner ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. En stor hindring har været at inkorporere funktionelle proteiner - herunder dem, der er involveret i energimetabolisme - i polymermembraner.

Holdet af Max Planck-forskere er nu lykkedes med at integrere protonpumpen bo3 oxidase i den syntetiske membran. Enzymet tilhører mange bakteriers respiratoriske kæde "og fungerer også ret godt i polymermembranen - endda lidt bedre end i de naturlige lipidmembraner, " siger Nika Marušič, medforfatter til undersøgelsen.

Oxidasen reducerer ilt også i den kunstige membran og udgør dermed det sidste trin i cellulær respiration. Som forskerne har vist, det pumper protoner ind i det indre af vesiklen, og derved skabe en forudsætning for produktion af ATP.

Uigennemtrængelig for protoner

Den kunstige membran er også næsten uigennemtrængelig for protoner, dog tilstrækkelig flydende og meget stabil (meget mere stabil end dens naturlige modstykke) mod skadelige iltradikaler. Bøjningsstivheden af ​​polymermembranen svarer også til den for en naturlig membran. Dette er vigtigt, fordi levende celler konstant deformeres. Bøjningsmodulet må derfor ikke være for lavt, så cellerne kan bevare deres form. Imidlertid, den skal heller ikke være for høj. Ellers, komplekse membranproteiners funktion vil blive kompromitteret.

For at sige det enkelt:Polymerens kemi giver fremragende betingelser for energiomsætning i en kunstig mitokondrie. Ifølge Ivanov, der er dog stadig nogle forhindringer:"Det er stadig uklart, hvordan denne polymermembran kunne replikere." Dette ville helt sikkert være nødvendigt for at en kunstig celle kunne formere sig. Forskerne har således stadig et stort arbejde foran sig.