Ett team ledd av docent Yutetsu Kuruma från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology har konstruerat enkla konstgjorda celler som kan producera kemisk energi som hjälper till att syntetisera delar av cellerna själva. Detta arbete markerar en viktig milstolpe för att konstruera fullt fotosyntetiska artificiella celler, och kan belysa hur urceller använde solljus som energikälla tidigt i livets historia.

Forskare bygger konstgjorda celler som modeller av primitiva celler, samt att förstå hur moderna celler fungerar. Många subcellulära system har nu byggts genom att helt enkelt blanda cellkomponenter tillsammans. Dock, verkliga levande celler konstruerar och organiserar sina egna komponenter. Det har också länge varit ett mål för forskning att bygga konstgjorda celler som också kan syntetisera sina egna beståndsdelar med hjälp av den energi som finns i miljön.

Tokyo Tech-teamet kombinerade ett cellfritt proteinsyntessystem, som bestod av olika biologiska makromolekyler skördade från levande celler, och små protein-lipidaggregat som kallas proteoliposomer, som innehöll proteinerna ATP-syntas och bakteriodopsin, renas också från levande celler, inuti gigantiska syntetiska vesiklar. ATP -syntas är ett biologiskt proteinkomplex som använder den potentiella energiskillnaden mellan vätskan inuti en cell och vätskan i cellens miljö för att göra molekylen adenosintrifosfat (ATP), som är cellens energivaluta. Bacteriorhodopsin är ett lättskördande protein från primitiva mikrober som använder ljusenergi för att transportera vätejoner utanför cellen, vilket genererar en potentiell energiskillnad för att hjälpa ATP -syntas att fungera. Således, dessa artificiella celler skulle kunna använda ljus för att skapa en vätejongradient som skulle hjälpa bränslecellerna att använda för att köra sina subcellulära system, inklusive att göra mer protein.

Precis som forskarna hoppades, den fotosyntetiserade ATP konsumeras som ett substrat för transkription, den process genom vilken biologi gör budbärar-RNA (mRNA) från DNA, och som en energikälla för översättning, den process genom vilken biologi gör protein från mRNA. Genom att även inkludera generna för delar av ATP-syntaset och ljusskörden bakterorodopsin, dessa processer driver också så småningom syntesen av mer bakteriorhodopsin och de ingående proteinerna i ATP -syntas, några exemplar av vilka inkluderades för att "hoppa igång" proteoliposomen. De nybildade bakterieorhodopsin- och ATP-syntasdelarna integrerades sedan spontant i de artificiella fotosyntetiska organellerna och förbättrade ATP-fotosyntesaktiviteten ytterligare.

Professor Kuruma säger, "Jag har länge försökt bygga en levande konstgjord cell, speciellt med fokus på membran. I det här arbetet, våra konstgjorda celler var insvepta i lipidmembran, och små membranstrukturer var inkapslade inuti dem. På det här sättet, cellmembranet är den viktigaste aspekten av att bilda en cell, och jag ville visa vikten av denna punkt i studiet av artificiella celler och feedback i livsstudiers ursprung."

Kuruma tror att det här arbetet mest påverkar att konstgjorda celler kan producera energi för att syntetisera själva cellens delar. Detta innebär att de konstgjorda cellerna skulle kunna göras för att vara energimässigt oberoende och sedan skulle det vara möjligt att konstruera självförsörjande celler, precis som faktiska biologiska celler. "Det mest utmanande i det här arbetet var fotosyntesen av bakteriohodopsin och ATP-syntasdelarna, som är membranproteiner. Vi försökte fotosyntetisera ett fullt ATP-syntas, som har 8 typer av komponentproteiner, men vi kunde inte på grund av den låga produktiviteten hos det cellfria proteinsyntessystemet. Men, om den uppgraderades, vi kan fotosyntetisera hela 8 olika komponentproteiner. "

Ändå, detta arbete visar att ett enkelt biologiskt inspirerat system som inkluderar två typer av membranprotein kan leverera energi för att driva genuttryck inuti ett mikrofack. Således, urceller som använde solljus som en primär energikälla kunde ha funnits tidigt i livets utveckling innan moderna autotrofa celler uppstod. Teamet tror att försök att konstruera levande artificiella celler kommer att hjälpa till att förstå övergången från icke-levande till levande materia som ägde rum på tidig jord och, hjälpa till att utveckla biologibaserade enheter som kan känna av ljus och driva biokemiska reaktioner. Dessa artificiella fotosyntetiska cellsystem hjälper också till att bana väg för att konstruera energetiskt oberoende artificiella celler.