Synthetische cellen – de kracht van de toekomst

Het concept van chloroplasten en synthetische mitochondriën in een liposoom voor zelfvoorzienende energieopwekking door fotosynthese en cellulaire ademhaling. Credits: Biological Interface Group, Sogang University

Evaluatie van hoe synthetische energieproducerende organellen kunstmatige cellen kunnen ondersteunen.

De onderzoekers evalueerden de voortgang en uitdagingen bij het maken van kunstmatige mitochondriën en chloroplasten voor energieproductie in kunstmatige cellen. Deze kunstmatige organellen kunnen de ontwikkeling van nieuwe organismen of biomaterialen mogelijk maken. De onderzoekers identificeerden eiwitten als de belangrijkste componenten van de draaiende moleculaire machinerie, protonentransport en ATP-productie, die dienen als de primaire energievaluta van de cel.

Chloroplasten en mitochondriën zijn verantwoordelijk voor de energieproductie in de natuur en zijn essentieel voor het maken van duurzame kunstmatige cellen in het laboratorium. Mitochondriën zijn niet alleen de ‘krachtpatser van de cel’, zoals het gezegde luidt in de biologie van de middelbare school, maar ook een van de meest complexe intracellulaire componenten van kunstmatige voortplanting.

in Biofysische beoordelingenGerapporteerd door AIP Publishing identificeren onderzoekers van de Sogang University in Zuid-Korea en het Harbin Institute of Technology in China de meest veelbelovende ontwikkelingen en grootste uitdagingen voor synthetische mitochondriën en chloroplasten.

“Als wetenschappers kunstmatige mitochondriën en chloroplasten kunnen maken, kunnen we kunstmatige cellen ontwikkelen die onafhankelijk energie kunnen genereren en moleculen kunnen produceren. Dit zou de weg vrijmaken voor de creatie van volledig nieuwe organismen of biomaterialen”, zei auteur Kuano Shin.

In planten gebruiken chloroplasten zonlicht om water en koolstofdioxide om te zetten in glucose. Mitochondriën, die zowel in planten als in dieren voorkomen, produceren energie door glucose af te breken.

Zodra een cel energie heeft geproduceerd, gebruikt deze vaak een molecuul genaamd adenosinetrifosfaat (ATP) om die energie op te slaan en over te dragen. Wanneer een cel ATP afbreekt, komt er energie vrij die de functies van de cel aandrijft.

“Met andere woorden, ATP dient als de belangrijkste energievaluta van de cel en is van vitaal belang voor de cel om de meeste cellulaire functies uit te voeren, ” zei Shen.

Het team beschrijft de componenten die nodig zijn om kunstmatige mitochondria en chloroplasten te bouwen en identificeert eiwitten als de belangrijkste aspecten van moleculaire roterende machines, protonentransport en ATP-productie.

Eerdere studies hebben de componenten gerepliceerd waaruit energieproducerende organellen bestaan. Enkele van de meest veelbelovende werken bestuderen de tussenliggende processen die betrokken zijn bij het complexe energieopwekkingsproces. Door de sequenties van eiwitten en enzymen aan elkaar te koppelen, verbeterden de onderzoekers de energie-efficiëntie.

Een van de belangrijkste resterende uitdagingen bij het opnieuw opbouwen van energieproducerende organellen is het mogelijk maken van zelfaanpassing in veranderende omgevingen om een ​​stabiele toevoer van ATP te behouden. Toekomstige studies moeten onderzoeken hoe dit beperkte voordeel kan worden verbeterd voordat kunstmatige cellen zelfvoorzienend kunnen worden.

De auteurs vinden het belangrijk om kunstmatige cellen te creëren met biologisch realistische energieopwekkingsmethoden die natuurlijke processen nabootsen. Hele celreplicatie kan leiden tot toekomstige biomaterialen en inzichten in het verleden.

“Dit zou een belangrijke mijlpaal kunnen zijn in het begrijpen van de oorsprong van het leven en de oorsprong van cellen,” zei Shen.

Referentie: “Kunstmatige organellen voor duurzame omzetting en productie van chemische energie in kunstmatige cellen: synthetische mitochondria en chloroplasten” door Hyun Park, Yichen Wang, Seo Hyun-min, Youngcho Ren, Kuanu Shin en Xiaojun Han, 28 maart 2023, hier beschikbaar. Biofysica.
DOI: 10.1063 / 5.0131071