Celule artificiale – Centrala electrică a viitorului

Evaluați modul în care organitele sintetice generatoare de energie ar putea susține celulele artificiale.

Cercetătorii au evaluat progresul și provocările creării de mitocondrii artificiale și cloroplaste pentru producerea de energie în celulele sintetice. Aceste organite artificiale ar putea permite dezvoltarea de noi organisme sau biomateriale. Cercetătorii au identificat proteinele ca fiind cele mai importante componente ale mașinilor de rotație moleculară, transportul de protoni și producția de ATP, care servește ca principală monedă energetică a celulei.

Producția de energie în natură este responsabilitatea cloroplastelor și mitocondriilor și este crucială pentru realizarea celulelor sintetice durabile în laborator. Mitocondriile nu sunt doar „centrale de putere ale celulei”, așa cum se spune în biologia școlii gimnaziale, ci și una dintre cele mai complexe componente intracelulare care se pot replica artificial.

În Reviste de biofizicăde AIP Publishing, cercetătorii de la Universitatea Sogang din Coreea de Sud și Institutul de Tehnologie Harbin din China au identificat cele mai promițătoare progrese și cele mai mari provocări în mitocondriile artificiale și cloroplaste.

„Dacă oamenii de știință pot crea mitocondrii și cloroplaste artificiale, am putea dezvolta celule sintetice capabile să genereze energie și să sintetizeze molecule în mod autonom. Acest lucru ar deschide calea pentru crearea de organisme sau biomateriale complet noi”, a spus autorul Kwanwoo Shin.

În plante, cloroplastele folosesc lumina soarelui pentru a transforma apa și dioxidul de carbon în glucoză. Mitocondriile, care se găsesc la plante și animale, produc energie prin descompunerea glucozei.

Odată ce o celulă produce energie, adesea folosește o moleculă numită adenozin trifosfat (ATP) pentru a stoca și transfera acea energie. Când celula descompune ATP, eliberează energie care alimentează funcțiile celulei.

„Cu alte cuvinte, ATP acționează ca moneda energetică primară a celulei și este vital ca celula să îndeplinească majoritatea funcțiilor celulare”, a spus Shin.

Echipa descrie componentele necesare pentru a construi mitocondriile sintetice și cloroplastele și identifică proteinele ca fiind cele mai importante aspecte pentru mașinile de rotație moleculară, transportul de protoni și producția de ATP.

Studiile anterioare au replicat componentele care alcătuiesc organele producătoare de energie. Unele dintre cele mai promițătoare lucrări investighează operațiunile intermediare implicate în procesul complex de generare a energiei. Prin conectarea secvenței de proteine ​​și enzime, cercetătorii au îmbunătățit eficiența energetică.

Una dintre cele mai mari provocări rămase în încercarea de a reconstrui organele producătoare de energie este de a permite autoadaptarea în medii în schimbare pentru a menține o aprovizionare stabilă de ATP. Studiile viitoare ar trebui să investigheze cum să îmbunătățească această caracteristică limitativă înainte ca celulele sintetice să fie autosuficiente.

Autorii cred că este important să se creeze celule artificiale cu metode de producere a energiei realiste din punct de vedere biologic, care imită procesele naturale. Replicarea întregii celule ar putea duce la viitoare biomateriale și poate oferi o perspectivă asupra trecutului.

„Acesta ar putea fi un pas important în înțelegerea originii vieții și a originii celulelor”, a spus Shin.

Referință: „Organele artificiale pentru conversia și producția durabilă a energiei chimice în celule artificiale: mitocondrii și cloroplaste artificiale” de Hyun Park, Weichen Wang, Seo Hyeon Min, Yongshuo Ren, Kwanwoo Shin și Xiaojun Han, 28 martie 2023, Biofizică.
DOI: 10.1063/5.0131071