Gli scienziati hanno progettato e collegato tra loro due diverse cellule artificiali per produrre molecole chiamate ATP (adenosina trifosfato). L'ATP è l'unità fondamentale che tutti gli esseri viventi usano per trasportare e fornire energia per eseguire i processi nelle cellule. Gli scienziati hanno sviluppato un gruppo di cellule artificiali che genera protoni quando è esposto alla luce. Hanno anche sviluppato diverse cellule artificiali che contengono un enzima in grado di utilizzare questi protoni per generare ATP. Il team ha quindi collegato insieme i due tipi di cellule.

Questo design cellulare artificiale utilizza minuscole bacchette (nanorodi) fatte di argento e oro per creare una parete cellulare biologica simile a quelle presenti in natura. Questi bastoncini sono in contrasto con i lipidi (come i grassi e gli acidi grassi) che le cellule biologiche utilizzano per formare le pareti cellulari. Questi nanorod rispondono alla luce in un modo che accelera la velocità con cui determinate proteine ​​possono produrre protoni.

I recenti sforzi per creare cellule artificiali hanno membrane imballate con nanoparticelle e assemblate in una capsula colloidale. La stessa sostanza della membrana offre vantaggi compresi i pori sintonizzabili attraverso i quali gli ioni possono passare. Però, il materiale della membrana può anche influenzare i processi intrinseci di interesse all'interno delle cellule artificiali.

Pubblicato in Angewandte Chemie Edizione Internazionale , lo studio, "Protocelle sintetiche Light-Gated per la generazione di gradienti chemiosmotici potenziati dal plasmone e la sintesi di ATP" è stato progettato per sviluppare una comprensione di tali effetti. Ricercatori presso il Center for Nanoscale Materials presso l'Argonne National Laboratory, una struttura utente dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento di energia, ha creato cellule artificiali sensibili alla luce utilizzando i cosiddetti materiali plasmonici, nanosistemi che possono interagire con la luce in modi unici, per le capsule colloidali.

Inoltre, una proteina light-gated viene utilizzata per guidare un processo di sintesi fotoattivato. Le cellule artificiali hanno un colloide ricco di nanotubi di argento-oro (Au-Ag) che si autoassemblano in capsule. Per di più, i nanotubi di Au-Ag raggiungono una risonanza plasmonica in determinate condizioni di luce. La batteriorodopsina, una proteina attivata dalla luce, è stata quindi fissata sulla superficie della capsula.

La batteriorodopsina è stata scelta per la sua capacità di trasportare protoni attraverso una membrana sotto illuminazione. La batteriorodopsina cattura l'energia luminosa, usa quell'energia per pompare protoni attraverso la membrana, e converte le differenze nelle concentrazioni di protoni in energia chimica.

Il potenziale cellulare di questo progetto è stato ulteriormente dimostrato sfruttando i protoni come "segnali chimici" per innescare la biosintesi dell'ATP in una popolazione di cellule artificiali coesistenti. In totale, le cellule artificiali funzionano coerentemente con gli obiettivi di progettazione. L'ampia risonanza plasmonica delle capsule colloidali Au-Ag ha aumentato la probabilità di fotoreazione da parte della proteina attivata dalla luce, creando così una nuova "protocella" sintetica controllabile dalla luce.

Il modello di protocella sintetica offre opportunità per lo sviluppo di sistemi alternativi di conversione dell'energia solare in chimica.