Un equipo dirigido por el profesor asociado Yutetsu Kuruma del Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio ha construido células artificiales simples que pueden producir energía química que ayuda a sintetizar partes de las propias células. Este trabajo marca un hito importante en la construcción de células artificiales completamente fotosintéticas, y puede arrojar luz sobre cómo las células primordiales utilizaron la luz solar como fuente de energía al principio de la historia de la vida.

Los científicos construyen células artificiales como modelos de células primitivas, así como comprender cómo funcionan las células modernas. En la actualidad, se han construido muchos sistemas subcelulares simplemente mezclando los componentes de la celda. Sin embargo, las células vivas reales construyen y organizan sus propios componentes. También ha sido un objetivo de investigación desde hace mucho tiempo construir células artificiales que también puedan sintetizar sus propios componentes utilizando la energía disponible en el medio ambiente.

El equipo de Tokyo Tech combinó un sistema de síntesis de proteínas sin células, que consistía en varias macromoléculas biológicas recolectadas de células vivas, y pequeños agregados de proteína-lípidos llamados proteoliposomas, que contenía las proteínas ATP sintasa y bacteriorrodopsina, también purificado de células vivas, dentro de vesículas sintéticas gigantes. La ATP sintasa es un complejo de proteínas biológicas que utiliza la diferencia de energía potencial entre el líquido dentro de una célula y el líquido en el entorno de la célula para producir la molécula de trifosfato de adenosina (ATP). que es la moneda de energía de la celda. La bacteriorrodopsina es una proteína recolectora de luz de microbios primitivos que utiliza energía luminosa para transportar iones de hidrógeno fuera de la célula. generando así una diferencia de energía potencial para ayudar a que funcione la ATP sintasa. Por lo tanto, Estas células artificiales podrían utilizar la luz para crear un gradiente de iones de hidrógeno que ayudaría a que las células de combustible se utilicen para ejecutar sus sistemas subcelulares. incluida la producción de más proteínas.

Tal como esperaban los científicos, el ATP fotosintetizado se consumió como sustrato para la transcripción, el proceso por el cual la biología produce ARN mensajero (ARNm) a partir del ADN, y como fuente de energía para la traducción, el proceso por el cual la biología produce proteínas a partir de ARNm. Al incluir también los genes de partes de la ATP sintasa y la bacteriorrodopsina recolectora de luz, Estos procesos también eventualmente impulsan la síntesis de más bacteriorrodopsina y las proteínas constituyentes de la ATP sintasa, algunas copias de las cuales se incluyeron para "reactivar" el proteoliposoma. Las partes recién formadas de bacteriorrodopsina y ATP sintasa luego se integraron espontáneamente en los orgánulos fotosintéticos artificiales y mejoraron aún más la actividad de fotosíntesis de ATP.

El profesor Kuruma dice:"He intentado durante mucho tiempo construir una célula artificial viva, especialmente centrándose en las membranas. En este trabajo, Nuestras células artificiales estaban envueltas en membranas lipídicas, y en su interior se encapsularon pequeñas estructuras de membrana. De este modo, la membrana celular es el aspecto más importante de la formación de una célula, y quería mostrar la importancia de este punto en el estudio de la célula artificial y la retroalimentación en los estudios de los orígenes de la vida ".

Kuruma cree que el punto de mayor impacto de este trabajo es que las células artificiales pueden producir energía para sintetizar las partes de la propia célula. Esto significa que las células artificiales podrían hacerse para ser energéticamente independientes y luego sería posible construir células autosuficientes. al igual que las células biológicas reales. "Lo más desafiante en este trabajo fue la fotosíntesis de las partes de bacteriorrodopsina y ATP sintasa, que son proteínas de membrana. Intentamos fotosintetizar una ATP sintasa completa, que tiene 8 tipos de proteínas componentes, pero no pudimos debido a la baja productividad del sistema de síntesis de proteínas libres de células. Pero, si fue actualizado, podemos fotosintetizar los 8 tipos de proteínas componentes ".

Sin embargo, Este trabajo demuestra que un sistema simple inspirado biológicamente que incluye dos tipos de proteínas de membrana es capaz de suministrar energía para impulsar la expresión génica dentro de un microcompartimento. Por lo tanto, Las células primordiales que utilizan la luz solar como fuente de energía primordial podrían haber existido temprano en la evolución de la vida antes de que surgieran las células autótrofas modernas. El equipo cree que los intentos de construir células artificiales vivas ayudarán a comprender la transición de materia no viva a viva que tuvo lugar en la Tierra primitiva y, ayudar a desarrollar dispositivos basados ​​en la biología que pueden detectar la luz e impulsar reacciones bioquímicas. Estos sistemas de células fotosintéticas artificiales también ayudan a allanar el camino para construir células artificiales energéticamente independientes.