Команда под руководством доцента Ютецу Курумы из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института сконструировала простые искусственные клетки, которые могут производить химическую энергию, которая помогает синтезировать части самих клеток. Эта работа знаменует собой важную веху в создании полностью фотосинтезирующих искусственных клеток и может пролить свет на то, как первичные клетки использовали солнечный свет в качестве источника энергии в начале истории жизни.
Ученые строят искусственные клетки как модели примитивных клеток, а также для того, чтобы понять, как функционируют современные клетки. Многие субклеточные системы в настоящее время построены путем простого смешивания клеточных компонентов. Однако настоящие живые клетки строят и организуют свои собственные компоненты. Также давно целью исследований является создание искусственных клеток, которые также могут синтезировать свои собственные компоненты, используя энергию, доступную в окружающей среде.
Команда Tokyo Tech объединила систему бесклеточного синтеза белка, которая состояла из различных биологических макромолекул, полученных из живых клеток, и небольших белково-липидных агрегатов, называемых протеолипосомами, которые содержали белки АТФ-синтазу и бактериородопсин, также очищенные от живые клетки, внутри гигантских синтетических пузырьков. АТФ-синтаза представляет собой биологический белковый комплекс, который использует разницу потенциалов энергии между жидкостью внутри клетки и жидкостью в окружающей среде клетки для образования молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которая является энергетической валютой клетки. Бактериородопсин - светособирающий белок примитивных микробов, который использует световую энергию для транспортировки ионов водорода за пределы клетки, тем самым создавая разность потенциалов энергии, помогая работе АТФ-синтазы. Таким образом, эти искусственные клетки смогут использовать свет для создания градиента ионов водорода, который поможет использовать топливные элементы для работы их субклеточных систем, в том числе для производства большего количества белка.
Как и надеялись ученые, фотосинтезированная АТФ была использована в качестве субстрата для транскрипции, процесса, посредством которого биология создает информационную РНК (мРНК) из ДНК, и в качестве энергии для трансляции, процесса, посредством которого биология создает белок. из мРНК. Кроме того, включая гены частей АТФ-синтазы и светособирающего бактериородопсина, эти процессы также в конечном итоге стимулируют синтез большего количества бактериородопсина и составляющих белков АТФ-синтазы, несколько копий которых были включены, чтобы «запустить» протеолипосома. Затем новообразованные части бактериородопсина и АТФ-синтазы спонтанно интегрировались в искусственные фотосинтетические органеллы и дополнительно усиливали активность фотосинтеза АТФ.
Как утверждает профессор Курума: «Я долгое время пытался сконструировать живую искусственную клетку, уделяя особое внимание мембранам. В этой работе наши искусственные клетки были обернуты липидными мембранами, а внутри были инкапсулированы небольшие мембранные структуры. Таким образом, клеточная мембрана является наиболее важным аспектом формирования клетки, и я хотел показать важность этого момента в изучении искусственных клеток и обратной связи в исследованиях происхождения жизни».
Курума считает, что наиболее важным моментом этой работы является то, что искусственные клетки могут производить энергию для синтеза частей самой клетки. Это означает, что искусственные клетки можно было бы сделать энергетически независимыми, и тогда можно было бы построить самоподдерживающиеся клетки, как настоящие биологические клетки. «Самым сложным в этой работе был фотосинтез частей бактериородопсина и АТФ-синтазы, которые являются мембранными белками. продуктивность системы бесклеточного синтеза белка. Но, если бы он был модернизирован, мы могли бы фотосинтезировать все 8 белковых компонентов."
Тем не менее, эта работа демонстрирует, что простая биологически вдохновленная система, включающая два вида мембранных белков, способна поставлять энергию для запуска экспрессии генов внутри микрокомпартмента. Таким образом, первичные клетки, использующие солнечный свет в качестве первичного источника энергии, могли существовать на ранних стадиях эволюции жизни, прежде чем возникли современные автотрофные клетки. Команда считает, что попытки построить живые искусственные клетки помогут понять переход от неживой к живой материи, который произошел на ранней Земле, и помогут разработать биологические устройства, которые могут воспринимать свет и запускать биохимические реакции. Эти системы искусственных фотосинтезирующих клеток также помогают проложить путь к созданию энергетически независимых искусственных клеток.