Ogniwa syntetyczne – moc przyszłości

Koncepcja chloroplastów i syntetycznych mitochondriów w liposomie do samowystarczalnego wytwarzania energii poprzez fotosyntezę i oddychanie komórkowe. Źródło: Biological Interface Group, Sogang University

Ocena, w jaki sposób syntetyczne organelle wytwarzające energię mogą podtrzymywać sztuczne komórki.

Naukowcy ocenili postępy i wyzwania w tworzeniu sztucznych mitochondriów i chloroplastów do produkcji energii w sztucznych komórkach. Te sztuczne organelle mogłyby umożliwić rozwój nowych organizmów lub biomateriałów. Naukowcy zidentyfikowali białka jako najważniejsze składniki wirującej maszynerii molekularnej, transportu protonów i produkcji ATP, które służą jako główna waluta energetyczna komórki.

Chloroplasty i mitochondria są odpowiedzialne za produkcję energii w przyrodzie i są niezbędne do produkcji zrównoważonych sztucznych komórek w laboratorium. Mitochondria są nie tylko „siłą napędową komórki”, jak mówi biologia w szkole średniej, ale także jednym z najbardziej złożonych wewnątrzkomórkowych składników sztucznego rozmnażania.

W Recenzje biofizykiJak donosi AIP Publishing, naukowcy z Sogang University w Korei Południowej i Harbin Institute of Technology w Chinach identyfikują najbardziej obiecujące osiągnięcia i największe wyzwania dla syntetycznych mitochondriów i chloroplastów.

„Jeśli naukowcy mogą tworzyć sztuczne mitochondria i chloroplasty, możemy opracować sztuczne komórki, które mogą niezależnie wytwarzać energię i wytwarzać cząsteczki. Utorowałoby to drogę do stworzenia zupełnie nowych organizmów lub biomateriałów” – powiedział autor Kuano Shin.

W roślinach chloroplasty wykorzystują światło słoneczne do przekształcania wody i dwutlenku węgla w glukozę. Mitochondria, występujące zarówno w roślinach, jak i zwierzętach, wytwarzają energię poprzez rozkład glukozy.

Gdy komórka wytworzy energię, często wykorzystuje cząsteczkę zwaną trójfosforanem adenozyny (ATP) do magazynowania i przekazywania tej energii. Kiedy komórka rozkłada ATP, uwalnia energię, która napędza funkcje komórki.

„Innymi słowy, ATP służy jako główna waluta energetyczna komórki i jest niezbędna do wykonywania przez komórkę większości funkcji komórkowych” – powiedział Shen.

Zespół opisuje składniki wymagane do budowy sztucznych mitochondriów i chloroplastów oraz identyfikuje białka jako najważniejsze aspekty molekularnej maszynerii rotacyjnej, transportu protonów i produkcji ATP.

Wcześniejsze badania replikowały składniki tworzące organelle wytwarzające energię. Niektóre z najbardziej obiecujących prac dotyczą procesów pośrednich związanych ze złożonym procesem wytwarzania energii. Łącząc sekwencje białek i enzymów, naukowcy poprawili efektywność energetyczną.

Jednym z najważniejszych pozostałych wyzwań w próbach odbudowy organelli produkujących energię jest umożliwienie samoadaptacji w zmieniających się środowiskach w celu utrzymania stabilnego zaopatrzenia w ATP. Przyszłe badania powinny zbadać, jak poprawić tę ograniczoną przewagę, zanim sztuczne komórki staną się samowystarczalne.

Autorzy uważają, że ważne jest tworzenie sztucznych komórek za pomocą biologicznie realistycznych metod wytwarzania energii, które naśladują naturalne procesy. Replikacja całych komórek może prowadzić do przyszłych biomateriałów i wglądu w przeszłość.

„To może być ważny kamień milowy w zrozumieniu pochodzenia życia i pochodzenia komórek” – powiedział Shen.

Odniesienie: „Sztuczne organelle do trwałej konwersji i produkcji energii chemicznej w sztucznych komórkach: syntetyczne mitochondria i chloroplasty” autorstwa Hyun Park, Yichen Wang, Seo Hyun-min, Youngcho Ren, Kuanu Shin i Xiaojun Han, 28 marca 2023 r., dostępne tutaj. Biofizyka.
DOI: 10.1063 / 5.0131071