Een team onder leiding van universitair hoofddocent Yutetsu Kuruma van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Tokyo Institute of Technology heeft eenvoudige kunstmatige cellen geconstrueerd die chemische energie kunnen produceren die helpt bij het synthetiseren van delen van de cellen zelf. Dit werk markeert een belangrijke mijlpaal in de constructie van volledig fotosynthetische kunstmatige cellen, en kan licht werpen op hoe oercellen vroeg in de geschiedenis van het leven zonlicht als energiebron gebruikten.

Wetenschappers bouwen kunstmatige cellen als modellen van primitieve cellen, evenals om te begrijpen hoe moderne cellen functioneren. Veel subcellulaire systemen zijn nu gebouwd door celcomponenten eenvoudig met elkaar te mengen. Echter, echte levende cellen bouwen en organiseren hun eigen componenten. Het is ook al lang een doel van onderzoek om kunstmatige cellen te bouwen die ook hun eigen bestanddelen kunnen synthetiseren met behulp van de energie die beschikbaar is in de omgeving.

Het Tokyo Tech-team combineerde een celvrij eiwitsynthesesysteem, die bestond uit verschillende biologische macromoleculen geoogst uit levende cellen, en kleine eiwit-lipidenaggregaten genaamd proteoliposomen, die de eiwitten ATP-synthase en bacteriorodopsine bevatten, ook gezuiverd uit levende cellen, binnen gigantische synthetische blaasjes. ATP-synthase is een biologisch eiwitcomplex dat het potentiële energieverschil tussen de vloeistof in een cel en de vloeistof in de celomgeving gebruikt om het molecuul adenosinetrifosfaat (ATP) te maken, wat de energievaluta van de cel is. Bacteriorodopsine is een licht oogstend eiwit van primitieve microben dat lichtenergie gebruikt om waterstofionen buiten de cel te transporteren, waardoor een potentieel energieverschil wordt gegenereerd om ATP-synthase te helpen werken. Dus, deze kunstmatige cellen zouden licht kunnen gebruiken om een ​​waterstofionengradiënt te maken die de brandstofcellen zou helpen gebruiken om hun subcellulaire systemen te laten werken, inclusief het maken van meer eiwitten.

Zoals de wetenschappers hoopten, de fotosynthetische ATP werd geconsumeerd als substraat voor transcriptie, het proces waarbij de biologie boodschapper-RNA (mRNA) maakt van DNA, en als energiebron voor vertaling, het proces waarbij de biologie eiwit maakt van mRNA. Door ook de genen voor delen van het ATP-synthase en het licht oogstende bacteriorodopsine op te nemen, deze processen stimuleren uiteindelijk ook de synthese van meer bacteriorodopsine en de samenstellende eiwitten van ATP-synthase, waarvan een paar exemplaren werden toegevoegd om het proteoliposoom te "starten". De nieuw gevormde bacteriorodopsine- en ATP-synthasedelen integreerden vervolgens spontaan in de kunstmatige fotosynthetische organellen en versterkten de ATP-fotosynthese-activiteit verder.

Professor Kuruma zegt, "Ik probeer al heel lang een levende kunstmatige cel te bouwen, vooral gericht op membranen. In dit werk, onze kunstmatige cellen waren gewikkeld in lipidemembranen, en kleine membraanstructuren waren erin ingekapseld. Op deze manier, het celmembraan is het belangrijkste aspect van het vormen van een cel, en ik wilde het belang van dit punt aantonen in de studie van kunstmatige cellen en feedback in studies naar de oorsprong van levens."

Kuruma denkt dat het belangrijkste punt van dit werk is dat kunstmatige cellen energie kunnen produceren om de delen van de cel zelf te synthetiseren. Dit betekent dat de kunstmatige cellen energetisch onafhankelijk zouden kunnen worden gemaakt en dat het dan mogelijk zou zijn om zelfvoorzienende cellen te construeren, net als echte biologische cellen. "Het meest uitdagende in dit werk was de fotosynthese van de bacteriorodopsine en de ATP-synthasedelen, dat zijn membraaneiwitten. We hebben geprobeerd een volledige ATP-synthase te fotosynthetiseren, die 8 soorten componenteiwitten heeft, maar dat konden we niet vanwege de lage productiviteit van het celvrije eiwitsynthesesysteem. Maar, als het geüpgraded is, we kunnen de hele 8 soorten componenteiwitten fotosynthetiseren."

Hoe dan ook, dit werk toont aan dat een eenvoudig biologisch geïnspireerd systeem met twee soorten membraaneiwit in staat is om energie te leveren om genexpressie in een microcompartiment aan te sturen. Dus, oercellen die zonlicht als oer-energiebron gebruiken, kunnen al vroeg in de evolutie van het leven hebben bestaan ​​voordat moderne autotrofe cellen ontstonden. Het team gelooft dat pogingen om levende kunstmatige cellen te bouwen, zullen helpen om de overgang van niet-levende naar levende materie te begrijpen die plaatsvond op de vroege aarde en, helpen bij het ontwikkelen van op biologie gebaseerde apparaten die licht kunnen detecteren en biochemische reacties kunnen aansturen. Deze kunstmatige fotosynthetische celsystemen helpen ook de weg vrij te maken voor het bouwen van energetisch onafhankelijke kunstmatige cellen.