Onderzoekers van het Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems in Magdeburg, het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces in Potsdam, en de Universiteit van Halle zijn een stap dichter bij een synthetisch geconstrueerde cel. Ze hebben een enzym gebruikt dat in bacteriën wordt aangetroffen om een ​​cruciaal onderdeel van de ademhalingsketen te assembleren - essentieel voor het energiemetabolisme in veel cellen - en het functioneel gemaakt in een kunstmatig polymeermembraan.

Het creëren van kunstmatige cellen is een van de grote visies in zowel biologie als techniek. Sommige van de ambitieuze visionairs herbouwen radicaal cellen die al in de natuur bestaan. Anderen, zoals de Max Planck-onderzoekers, nemen een nog rotsachtigere weg. "We willen een nieuwe cel bouwen vanuit het niets door afzonderlijke componenten geleidelijk te combineren tot een levend systeem met een metabolisme, " zegt Ivan Ivanov, een wetenschapper uit de werkgroep van Kai Sundmacher, Directeur van het Max Planck Instituut in Maagdenburg.

In een recente studie, de onderzoekers zochten naar een kunstmatig polymeer dat de eigenschappen van een celmembraan heeft en ook een rol zou kunnen spelen in de energiestofwisseling. Natuurlijke celmembranen, die bestaan ​​uit fosfolipiden, het celinterieur van de omgeving scheiden. Ze hebben zowel hydrofiele als lipofiele eigenschappen en zijn het toneel voor essentiële biochemische reacties die dienen om energie voor de cel te produceren, onder andere. "Geïnspireerd door de natuurlijke processen uit het energiemetabolisme van levende organismen, we ontwerpen op maat gemaakte kunstmatige energie-organellen van biologische en chemische bouwstenen die licht of chemische energie omzetten in ATP, ", legt Tanja Vidaković-Koch van het Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems uit. Bijna alle chemische reacties in de cel worden gevoed door ATP.

Protonpomp in een kunstmatig membraan

De onderzoekers hebben nu een commercieel verkrijgbaar polymeer gevonden (de surfactant PDMS-g-PEO) dat als membraan fungeert in plaats van de natuurlijke fosfolipiden en zo blaasjes kan vormen. Dergelijke blaasjes "zijn een nuttig model voor de constructie van kunstmatige organellen en cellen, " legt Rumiana Dimova uit, een specialist voor biomembranen bij het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. Een groot obstakel was het opnemen van functionele eiwitten - inclusief die welke betrokken zijn bij het energiemetabolisme - in polymeermembranen.

Het team van Max Planck-wetenschappers is er nu in geslaagd de protonpomp bo3-oxidase te integreren in het synthetische membraan. Het enzym behoort tot de ademhalingsketen van veel bacteriën "en functioneert ook vrij goed in het polymeermembraan - zelfs iets beter dan in de natuurlijke lipidemembranen, " zegt Nika Marušič, co-auteur van de studie.

Het oxidase reduceert ook zuurstof in het kunstmatige membraan en vormt zo de laatste stap van cellulaire ademhaling. Zoals de onderzoekers hebben aangetoond, het pompt protonen in het binnenste van het blaasje, waardoor een voorwaarde voor de productie van ATP wordt gecreëerd.

Ondoordringbaar voor protonen

Het kunstmatige membraan is ook bijna ondoordringbaar voor protonen, maar toch voldoende vloeibaar en zeer stabiel (veel stabieler dan zijn natuurlijke tegenhanger) tegen schadelijke zuurstofradicalen. De buigstijfheid van het polymeermembraan is ook vergelijkbaar met die van een natuurlijk membraan. Dit is belangrijk omdat levende cellen voortdurend vervormen. De buigmodulus mag daarom niet te laag zijn zodat de cellen hun vorm kunnen behouden. Echter, het mag ook niet te hoog zijn. Anders, de functie van complexe membraaneiwitten wordt aangetast.

Simpel gezegd:de chemie van het polymeer biedt uitstekende voorwaarden voor energiemetabolisme in een kunstmatig mitochondrion. Volgens Ivanov, er zijn echter nog steeds enkele obstakels:"Het is nog steeds onduidelijk hoe dit polymeermembraan zou kunnen repliceren." Dit zou zeker nodig zijn voor een kunstmatige cel om zich te kunnen vermenigvuldigen. De wetenschappers hebben dus nog heel wat werk voor de boeg.