Das Konzept von Chloroplasten und synthetischen Mitochondrien innerhalb eines Liposoms zur selbsterhaltenden Energieerzeugung durch Photosynthese und Zellatmung. Bildnachweis: Biological Interface Group, Sogang University
Bewertung, wie synthetische energieproduzierende Organellen künstliche Zellen erhalten können.
Die Forscher bewerteten die Fortschritte und Herausforderungen bei der Schaffung künstlicher Mitochondrien und Chloroplasten für die Energieerzeugung in künstlichen Zellen. Diese künstlichen Organellen könnten die Entwicklung neuer Organismen oder Biomaterialien ermöglichen. Die Forscher identifizierten Proteine als die wichtigsten Komponenten der sich drehenden molekularen Maschinerie, des Protonentransports und der ATP-Produktion, die als primäre Energiewährung der Zelle dienen.
Chloroplasten und Mitochondrien sind in der Natur für die Energiegewinnung verantwortlich und für die Herstellung nachhaltiger künstlicher Zellen im Labor unerlässlich. Mitochondrien sind nicht nur die „Kraftwerke der Zelle“, wie es in der Biologie der Mittelstufe heißt, sondern auch eine der komplexesten intrazellulären Komponenten der künstlichen Fortpflanzung.
In Biophysik BewertungenWie AIP Publishing berichtet, identifizieren Forscher der Sogang University in Südkorea und des Harbin Institute of Technology in China die vielversprechendsten Entwicklungen und größten Herausforderungen für synthetische Mitochondrien und Chloroplasten.
„Dies könnte ein wichtiger Meilenstein sein, um den Ursprung des Lebens und den Ursprung der Zellen zu verstehen.“ – Kwanwoo Shin
„Wenn Wissenschaftler künstliche Mitochondrien und Chloroplasten schaffen können, können wir künstliche Zellen entwickeln, die selbstständig Energie erzeugen und Moleküle herstellen können. Dies würde den Weg für die Schaffung völlig neuer Organismen oder Biomaterialien ebnen“, sagte Autor Kuano Shin.
In Pflanzen verwenden Chloroplasten Sonnenlicht, um Wasser und Kohlendioxid in Glukose umzuwandeln. Mitochondrien, die sowohl in Pflanzen als auch in Tieren vorkommen, produzieren Energie, indem sie Glukose abbauen.
Sobald eine Zelle Energie produziert hat, verwendet sie oft ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), um diese Energie zu speichern und zu übertragen. Wenn eine Zelle ATP abbaut, setzt sie Energie frei, die die Funktionen der Zelle antreibt.
„Mit anderen Worten, ATP dient als Hauptenergiewährung der Zelle und ist für die Zelle von entscheidender Bedeutung, um die meisten Zellfunktionen auszuführen“, sagte Shen.
Das Team beschreibt die Komponenten, die zum Aufbau künstlicher Mitochondrien und Chloroplasten erforderlich sind, und identifiziert Proteine als die wichtigsten Aspekte der molekularen Rotationsmaschinerie, des Protonentransports und der ATP-Produktion.
Frühere Studien haben die Komponenten repliziert, aus denen energieproduzierende Organellen bestehen. Einige der vielversprechendsten Arbeiten untersuchen die am komplexen Energieerzeugungsprozess beteiligten Zwischenprozesse. Durch die Verknüpfung der Sequenzen von Proteinen und Enzymen verbesserten die Forscher die Energieeffizienz.
Eine der wichtigsten verbleibenden Herausforderungen beim Versuch, energieproduzierende Organellen wieder aufzubauen, besteht darin, die Selbstanpassung an sich ändernde Umgebungen zu ermöglichen, um eine stabile ATP-Versorgung aufrechtzuerhalten. Zukünftige Studien sollten untersuchen, wie dieser begrenzte Vorteil verbessert werden kann, bevor künstliche Zellen autark werden können.
Die Autoren halten es für wichtig, künstliche Zellen mit biologisch realistischen Methoden zur Energiegewinnung zu schaffen, die natürliche Prozesse nachahmen. Die Replikation ganzer Zellen könnte zu zukünftigen Biomaterialien und Einblicken in die Vergangenheit führen.
„Dies könnte ein wichtiger Meilenstein für das Verständnis des Ursprungs des Lebens und der Zellen sein“, sagte Shen.
Referenz: „Künstliche Organellen für nachhaltige chemische Energieumwandlung und -produktion in künstlichen Zellen: Synthetische Mitochondrien und Chloroplasten“ von Hyun Park, Yichen Wang, Seo Hyun-min, Youngcho Ren, Kuanu Shin und Xiaojun Han, 28. März 2023, hier verfügbar. Biophysik.
DOI: 10.1063 / 5.0131071
