Un team guidato dal professore associato Yutetsu Kuruma dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology ha costruito semplici cellule artificiali in grado di produrre energia chimica che aiuta a sintetizzare parti delle cellule stesse. Questo lavoro segna un'importante pietra miliare nella costruzione di cellule artificiali completamente fotosintetiche, e può far luce su come le cellule primordiali abbiano usato la luce solare come fonte di energia all'inizio della storia della vita.

Gli scienziati costruiscono cellule artificiali come modelli di cellule primitive, oltre a capire come funzionano le cellule moderne. Molti sistemi subcellulari sono stati ora costruiti semplicemente mescolando insieme componenti cellulari. Però, le cellule viventi reali costruiscono e organizzano i propri componenti. È stato anche un obiettivo da tempo della ricerca costruire cellule artificiali in grado di sintetizzare anche i propri costituenti utilizzando l'energia disponibile nell'ambiente.

Il team di Tokyo Tech ha combinato un sistema di sintesi proteica senza cellule, che consisteva in varie macromolecole biologiche raccolte da cellule viventi, e piccoli aggregati proteico-lipidici chiamati proteoliposomi, che conteneva le proteine ​​ATP sintasi e batteriorodopsina, purificato anche dalle cellule viventi, all'interno di vescicole sintetiche giganti. L'ATP sintasi è un complesso proteico biologico che utilizza la potenziale differenza di energia tra il liquido all'interno di una cellula e il liquido nell'ambiente cellulare per produrre la molecola adenosina trifosfato (ATP), che è la valuta energetica della cellula. La batteriorodopsina è una proteina che raccoglie la luce da microbi primitivi che utilizza l'energia della luce per trasportare ioni idrogeno all'esterno della cellula, generando così una potenziale differenza di energia per aiutare l'ATP sintasi a funzionare. Così, queste celle artificiali sarebbero in grado di utilizzare la luce per creare un gradiente di ioni idrogeno che aiuterebbe le celle a combustibile a far funzionare i loro sistemi subcellulari, compresa la produzione di più proteine.

Proprio come speravano gli scienziati, l'ATP fotosintetizzato è stato consumato come substrato per la trascrizione, il processo mediante il quale la biologia produce RNA messaggero (mRNA) dal DNA, e come fonte di energia per la traduzione, il processo mediante il quale la biologia produce proteine ​​dall'mRNA. Includendo anche i geni per parti dell'ATP sintasi e la batteriorodopsina che raccoglie la luce, questi processi alla fine guidano anche la sintesi di più batteriorodopsina e delle proteine ​​costituenti dell'ATP sintasi, alcune copie delle quali sono state incluse per "far partire" il proteoliposoma. Le parti di batteriorodopsina e ATP sintasi appena formate si sono poi integrate spontaneamente negli organelli fotosintetici artificiali e hanno ulteriormente potenziato l'attività di fotosintesi dell'ATP.

Il professor Kuruma dice, "Ho cercato a lungo di costruire una cellula artificiale vivente, concentrandosi soprattutto sulle membrane. In questo lavoro, le nostre cellule artificiali erano avvolte in membrane lipidiche, e piccole strutture di membrana erano incapsulate al loro interno. In questo modo, la membrana cellulare è l'aspetto più importante della formazione di una cellula, e volevo mostrare l'importanza di questo punto nello studio della cellula artificiale e del feedback negli studi sulle origini della vita".

Kuruma pensa che il punto di maggior impatto di questo lavoro sia che le cellule artificiali possono produrre energia per sintetizzare le parti della cellula stessa. Ciò significa che le cellule artificiali potrebbero essere rese energeticamente indipendenti e quindi sarebbe possibile costruire cellule autosufficienti, proprio come le vere cellule biologiche. "La cosa più impegnativa in questo lavoro è stata la fotosintesi della batteriorodopsina e delle parti dell'ATP sintasi, che sono proteine ​​di membrana. Abbiamo provato a fotosintetizzare un'ATP sintasi completa, che ha 8 tipi di proteine ​​componenti, ma non abbiamo potuto a causa della bassa produttività del sistema di sintesi proteica senza cellule. Ma, se è stato aggiornato, possiamo fotosintetizzare tutti gli 8 tipi di proteine ​​componenti."

Tuttavia, questo lavoro dimostra che un semplice sistema di ispirazione biologica che include due tipi di proteine ​​di membrana è in grado di fornire energia per guidare l'espressione genica all'interno di un microcompartimento. Così, le cellule primordiali che utilizzano la luce solare come fonte di energia primaria potrebbero essere esistite all'inizio dell'evoluzione della vita prima che sorgessero le moderne cellule autotrofi. Il team ritiene che i tentativi di costruire cellule artificiali viventi aiuteranno a comprendere la transizione dalla materia non vivente a quella vivente che ha avuto luogo sulla Terra primordiale e, aiutano a sviluppare dispositivi basati sulla biologia in grado di rilevare la luce e guidare reazioni biochimiche. Questi sistemi cellulari fotosintetici artificiali aiutano anche a spianare la strada alla costruzione di cellule artificiali energeticamente indipendenti.