Ricercatori dell'Istituto Max Planck per la dinamica dei sistemi tecnici complessi di Magdeburgo, l'Istituto Max Planck dei Colloidi e delle Interfacce di Potsdam, e l'Università di Halle sono un passo avanti verso una cellula costruita sinteticamente. Hanno usato un enzima presente nei batteri per assemblare una parte cruciale della catena respiratoria, essenziale per il metabolismo energetico in molte cellule, e l'hanno resa funzionale in una membrana polimerica artificiale.

La creazione di cellule artificiali è una delle grandi visioni sia della biologia che dell'ingegneria. Alcuni degli ambiziosi visionari ricostruiscono radicalmente le cellule che già esistono in natura. Altri, come i ricercatori di Max Planck, prendono una strada ancora più rocciosa. "Vogliamo costruire una nuova cellula da zero combinando gradualmente i singoli componenti in un sistema vivente con un metabolismo, "dice Ivan Ivanov, uno scienziato del gruppo di lavoro di Kai Sundmacher, Direttore dell'Istituto Max Planck di Magdeburgo.

In un recente studio, i ricercatori hanno cercato un polimero artificiale che ha le proprietà di una membrana cellulare e potrebbe anche svolgere il suo ruolo nel metabolismo energetico. Membrane cellulari naturali, che sono costituiti da fosfolipidi, separare l'interno della cellula dall'ambiente. Hanno proprietà sia idrofile che lipofile e sono lo stadio per le reazioni biochimiche essenziali che servono a produrre energia per la cellula, tra l'altro. "Ispirato ai processi naturali del metabolismo energetico degli organismi viventi, progettiamo organelli energetici artificiali personalizzati da mattoni biologici e chimici che convertono l'energia luminosa o chimica in ATP, " spiega Tanja Vidaković-Koch del Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems. Quasi tutte le reazioni chimiche nella cella sono alimentate dall'ATP.

Pompa protonica in una membrana artificiale

I ricercatori hanno ora trovato un polimero disponibile in commercio (il tensioattivo PDMS-g-PEO) che funge da membrana al posto dei fosfolipidi naturali e può quindi formare vescicole. Tali vescicole "sono un utile modello per la costruzione di organelli e cellule artificiali, " spiega Rumiana Dimova, specialista in biomembrane presso il Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. Un grosso ostacolo è stato l'incorporazione di proteine ​​funzionali, comprese quelle coinvolte nel metabolismo energetico, nelle membrane polimeriche.

Il team di scienziati di Max Planck è ora riuscito a integrare la pompa protonica bo3 ossidasi nella membrana sintetica. L'enzima appartiene alla catena respiratoria di molti batteri "e funziona anche abbastanza bene nella membrana polimerica, anche leggermente meglio che nelle membrane lipidiche naturali, "dice Nika Marušič, coautore dello studio.

L'ossidasi riduce l'ossigeno anche nella membrana artificiale e costituisce quindi lo stadio finale della respirazione cellulare. Come hanno dimostrato i ricercatori, pompa protoni all'interno della vescicola, creando così un prerequisito per la produzione di ATP.

Impermeabile ai protoni

La membrana artificiale è anche quasi impermeabile ai protoni, ma sufficientemente fluido e altamente stabile (molto più stabile della sua controparte naturale) contro i dannosi radicali dell'ossigeno. Anche la rigidità alla flessione della membrana polimerica è simile a quella di una membrana naturale. Questo è importante perché le cellule viventi si deformano costantemente. Il modulo di flessione non deve quindi essere troppo basso in modo che le celle possano mantenere la loro forma. Però, inoltre non dovrebbe essere troppo alto. Altrimenti, la funzione delle proteine ​​di membrana complesse sarà compromessa.

Per dirla semplicemente:la chimica del polimero offre condizioni eccellenti per il metabolismo energetico in un mitocondrio artificiale. Secondo Ivanov, ci sono ancora alcuni ostacoli però:"Non è ancora chiaro come questa membrana polimerica possa replicarsi". Questo sarebbe certamente necessario affinché una cellula artificiale sia in grado di moltiplicarsi. Gli scienziati hanno quindi ancora molto lavoro da fare.