Forskare designade och kopplade samman två olika artificiella celler till varandra för att producera molekyler som kallas ATP (adenosintrifosfat). ATP är den grundläggande enheten som alla levande varelser använder för att bära och tillhandahålla energi för att driva processer i celler. Forskarna utvecklade en grupp konstgjorda celler som genererar protoner när den utsätts för ljus. De utvecklade också olika artificiella celler som innehåller ett enzym som kan använda dessa protoner för att generera ATP. Teamet kopplade sedan ihop de två typerna av celler.

Denna konstgjorda celldesign använder små stavar (nanostavar) gjorda av silver och guld för att skapa en biologisk cellvägg som liknar de i naturen. Dessa stavar står i kontrast till de lipider (som fetter och fettsyror) som biologiska celler använder för att göra cellväggar. Dessa nanorods reagerar på ljus på ett sätt som påskyndar hur snabbt vissa proteiner kan producera protoner.

De senaste försöken att göra konstgjorda celler har membran packade med nanopartiklar och sammansatta till en kolloidal kapsel. Membransubstansen i sig erbjuder fördelar inklusive avstämbara porer genom vilka joner kan passera. Dock, membranmaterialet kan också påverka inneboende processer av intresse i de artificiella cellerna.

Publicerad i Angewandte Chemie International Edition , studien, "Light-Gated Synthetic Protocells for Plasmon-Enhanced Chemiosmotic Gradient Generation and ATP Synthesis" designades för att utveckla en förståelse för sådana effekter. Forskare vid Center for Nanoscale Materials vid Argonne National Laboratory, en användaranläggning för Department of Energy Office of Science, skapat ljuskänsliga konstgjorda celler med hjälp av så kallade plasmoniska material – nanosystem som kan interagera med ljus på unika sätt – för de kolloidala kapslarna.

Dessutom, ett ljusstyrt protein används för att driva en fotoaktiverad syntesprocess. De konstgjorda cellerna har en kolloid packad med silver-guld (Au-Ag) nanorods som självmonteras till kapslar. Vidare, Au-Ag nanoroderna uppnår en plasmonresonans under vissa ljusförhållanden. Det ljusaktiverade proteinet bakteriodopsin fästes sedan på ytan av kapseln.

Bacteriorhodopsin valdes för dess förmåga att transportera protoner över ett membran under belysning. Bakteriodopsinet fångar ljusenergi, använder den energin för att pumpa protoner över membranet, och omvandlar skillnaderna i protonkoncentrationer till kemisk energi.

Den cellliknande potentialen hos denna design demonstrerades ytterligare genom att utnyttja protonerna som "kemiska signaler" för att trigga ATP-biosyntes i en samexisterande artificiell cellpopulation. Totalt, de konstgjorda cellerna fungerar konsekvent med designmål. Den breda plasmonresonansen hos de kolloidala Au-Ag-kapslarna ökade sannolikheten för fotoreaktion av det ljusaktiverade proteinet, skapar således en ny ljusstyrbar syntetisk "protocell".

Den syntetiska protocellmodellen erbjuder möjligheter att utveckla alternativa sol-till-kemiska energiomvandlingssystem.