Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos en Magdeburg, el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, y la Universidad de Halle están un paso más hacia una célula construida sintéticamente. Han utilizado una enzima que se encuentra en las bacterias para ensamblar una parte crucial de la cadena respiratoria, esencial para el metabolismo energético en muchas células, y la han hecho funcional en una membrana de polímero artificial.

La creación de células artificiales es una de las grandes visiones tanto de la biología como de la ingeniería. Algunos de los visionarios ambiciosos reconstruyen radicalmente células que ya existen en la naturaleza. Otros, como los investigadores de Max Planck, toman un camino aún más rocoso. "Queremos construir una nueva célula desde cero combinando gradualmente componentes individuales en un sistema vivo con metabolismo, "dice Ivan Ivanov, un científico del grupo de trabajo de Kai Sundmacher, Director del Instituto Max Planck de Magdeburg.

En un estudio reciente, los investigadores buscaron un polímero artificial que tenga las propiedades de una membrana celular y que también pueda desempeñar su papel en el metabolismo energético. Membranas celulares naturales, que consisten en fosfolípidos, separar el interior de la celda del medio ambiente. Tienen propiedades tanto hidrófilas como lipófilas y son el escenario de reacciones bioquímicas esenciales que sirven para producir energía para la célula. entre otras cosas. "Inspirado en los procesos naturales del metabolismo energético de los organismos vivos, diseñamos orgánulos de energía artificial personalizados a partir de bloques de construcción biológicos y químicos que convierten la luz o la energía química en ATP, "explica Tanja Vidaković-Koch del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos. Casi todas las reacciones químicas en la célula son alimentadas por ATP.

Bomba de protones en una membrana artificial

Los investigadores ahora han encontrado un polímero disponible comercialmente (el tensioactivo PDMS-g-PEO) que actúa como una membrana en lugar de los fosfolípidos naturales y, por lo tanto, puede formar vesículas. Dichas vesículas "son un modelo útil para la construcción de orgánulos y células artificiales, "explica Rumiana Dimova, especialista en biomembranas en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces. Un obstáculo importante ha sido la incorporación de proteínas funcionales, incluidas las implicadas en el metabolismo energético, en las membranas poliméricas.

El equipo de científicos de Max Planck ahora ha logrado integrar la bomba de protones bo3 oxidasa en la membrana sintética. La enzima pertenece a la cadena respiratoria de muchas bacterias "y también funciona bastante bien en la membrana del polímero, incluso un poco mejor que en las membranas lipídicas naturales, "dice Nika Marušič, coautor del estudio.

La oxidasa reduce el oxígeno también en la membrana artificial y, por tanto, constituye el paso final de la respiración celular. Como han demostrado los investigadores, bombea protones al interior de la vesícula, creando así un requisito previo para la producción de ATP.

Impermeable a los protones

La membrana artificial también es casi impermeable a los protones, pero suficientemente fluido y altamente estable (mucho más estable que su contraparte natural) contra los dañinos radicales de oxígeno. La rigidez a la flexión de la membrana de polímero también es similar a la de una membrana natural. Esto es importante porque las células vivas se deforman constantemente. Por tanto, el módulo de flexión no debe ser demasiado bajo para que las células puedan mantener su forma. Sin embargo, tampoco debe ser demasiado alto. De lo contrario, la función de proteínas de membrana complejas se verá comprometida.

En pocas palabras:la química del polímero ofrece excelentes condiciones para el metabolismo energético en una mitocondria artificial. Según Ivanov, Sin embargo, todavía existen algunos obstáculos:"Aún no está claro cómo podría replicarse esta membrana de polímero". Sin duda, esto sería necesario para que una célula artificial pudiera multiplicarse. Por tanto, los científicos todavía tienen mucho trabajo por delante.