Uma equipe liderada pelo professor associado Yutetsu Kuruma do Earth-Life Science Institute (ELSI) no Instituto de Tecnologia de Tóquio construiu células artificiais simples que podem produzir energia química que ajuda a sintetizar partes das próprias células. Este trabalho é um marco importante na construção de células artificiais totalmente fotossintéticas, e pode lançar luz sobre como as células primordiais usaram a luz do sol como fonte de energia no início da história da vida.

Os cientistas constroem células artificiais como modelos de células primitivas, bem como entender como as células modernas funcionam. Muitos sistemas subcelulares foram agora construídos simplesmente pela mistura de componentes celulares. Contudo, células vivas reais constroem e organizam seus próprios componentes. Também tem sido um objetivo de longa data da pesquisa construir células artificiais que também possam sintetizar seus próprios constituintes usando a energia disponível no ambiente.

A equipe da Tokyo Tech combinou um sistema de síntese de proteínas livre de células, que consistia em várias macromoléculas biológicas colhidas de células vivas, e pequenos agregados de proteína-lipídios chamados proteolipossomas, que continha as proteínas ATP sintase e bacteriorodopsina, também purificado de células vivas, dentro de vesículas sintéticas gigantes. A ATP sintase é um complexo de proteína biológica que usa a diferença de energia potencial entre o líquido dentro de uma célula e o líquido no ambiente da célula para formar a molécula de trifosfato de adenosina (ATP), que é a moeda de energia da célula. A bacteriorodopsina é uma proteína de coleta de luz de micróbios primitivos que usa energia luminosa para transportar íons de hidrogênio para fora da célula, gerando assim uma diferença de energia potencial para ajudar a ATP sintase a operar. Assim, essas células artificiais seriam capazes de usar a luz para fazer um gradiente de íons de hidrogênio que ajudaria a fazer as células de combustível usarem para operar seus sistemas subcelulares, incluindo a produção de mais proteína.

Assim como os cientistas esperavam, o ATP fotossintetizado foi consumido como substrato para a transcrição, o processo pelo qual a biologia faz o RNA mensageiro (mRNA) a partir do DNA, e como fonte de energia para tradução, o processo pelo qual a biologia produz proteínas a partir do mRNA. Incluindo também os genes para partes da ATP sintase e da bacteriorodopsina coletor de luz, esses processos também conduzem eventualmente a síntese de mais bacteriorodopsina e das proteínas constituintes da ATP sintase, algumas cópias foram incluídas para "dar a partida" no proteolipossoma. As partes recém-formadas da bacteriorodopsina e da ATP sintase se integraram espontaneamente nas organelas fotossintéticas artificiais e aumentaram ainda mais a atividade fotossintética de ATP.

Professor Kuruma diz, "Há muito tempo que tento construir uma célula artificial viva, especialmente com foco em membranas. Nesse trabalho, nossas células artificiais foram envolvidas em membranas lipídicas, e pequenas estruturas de membrana foram encapsuladas dentro deles. Desta maneira, a membrana celular é o aspecto mais importante da formação de uma célula, e eu queria mostrar a importância deste ponto no estudo das células artificiais e feedback nos estudos sobre as origens da vida. "

Kuruma acredita que o ponto de maior impacto deste trabalho é que as células artificiais podem produzir energia para sintetizar as partes da própria célula. Isso significa que as células artificiais poderiam ser feitas para serem energeticamente independentes e, então, seria possível construir células autossustentáveis, assim como células biológicas reais. "O mais desafiador neste trabalho foi a fotossíntese das partes da bacteriorodopsina e da ATP sintase, que são proteínas de membrana. Tentamos fotossintetizar uma sintase ATP completa, que tem 8 tipos de proteínas componentes, mas não foi possível devido à baixa produtividade do sistema de síntese de proteínas livre de células. Mas, se foi atualizado, podemos fotossintetizar todos os 8 tipos de proteínas componentes. "

No entanto, este trabalho demonstra que um sistema simples de inspiração biológica, incluindo dois tipos de proteína de membrana, é capaz de fornecer energia para conduzir a expressão gênica dentro de um microcompartimento. Assim, as células primordiais que usam a luz do sol como fonte de energia primária podem ter existido no início da evolução da vida, antes do surgimento das células autotróficas modernas. A equipe acredita que as tentativas de construir células artificiais vivas ajudarão a compreender a transição de matéria não viva para matéria viva que ocorreu na Terra primitiva e, ajudam a desenvolver dispositivos baseados em biologia que podem detectar a luz e conduzir reações bioquímicas. Esses sistemas de células fotossintéticas artificiais também ajudam a pavimentar o caminho para a construção de células artificiais energeticamente independentes.