Energía para células artificiales
Investigadores lograron que la bomba de protones de la cadena respiratoria funcione en una membrana artificial de polímeros
6. Agosto 2020
Investigadores del Instituto Max Planck para la Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos en Magdeburgo, el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam y la Universidad de Halle están cada vez cerca de la obtener una célula construida sintéticamente. Utilizaron una enzima que se encuentra en las bacterias para ensamblar una parte crucial de la cadena respiratoria, esencial para el metabolismo energético en muchas células, y la hicieron funcionar en una membrana artificial de polímero.
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Crear células artificiales es una de las grandes visiones tanto en biología como en ingeniería. Algunos científicos reconstruyen radicalmente las células que ya existen en la naturaleza. Otros, como los investigadores que trabajan en este proyecto , toman un camino un poco más complicado. "Queremos construir una nueva célula desde cero combinando gradualmente componentes individuales en un sistema vivo con un metabolismo", dice Ivan Ivanov, científico del grupo de trabajo de Kai Sundmacher, Director del Instituto Max Planck en Magdeburgo.
En un estudio reciente, los investigadores buscaron un polímero artificial con las propiedades de una membrana celular y que también pudiera desempeñar su papel en el metabolismo energético. Las membranas celulares naturales, que esán compuestas por fosfolípidos, separan el interior celular del medio ambiente. Tienen propiedades hidrofílicas y lipofílicas y son el escenario de reacciones bioquímicas esenciales que sirven para producir energía para la célula, entre otras cosas. "Inspirados en los procesos naturales del metabolismo energético de los organismos vivos, diseñamos orgánulos de energía artificial personalizados a partir de bloques de construcción biológicos y químicos que convierten la luz o la energía química en ATP", explica Tanja Vidaković-Koch del Instituto Max Planck para la Dinámica Sistemas Técnicos Complejos. Casi todas las reacciones químicas en la célula son alimentadas por ATP.
Bomba de protones en una membrana artificial.
Los investigadores encontraron un polímero disponible comercialmente (el surfactante PDMS-g-PEO) que actúa como una membrana que reemplaza los fosfolípidos naturales y, por lo tanto, puede formar vesículas. Tales vesículas "son un modelo útil para la construcción de células y orgánulos artificiales", explica Rumiana Dimova, especialista en biomembranas en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces. Un obstáculo importante ha sido la incorporación de proteínas funcionales, incluyendo las involucradas en el metabolismo energético, en las membranas poliméricas.
El equipo de científicos de Max Planck ahora ha logrado integrar la bomba de protones bo3 oxidasa en la membrana sintética. La enzima pertenece a la cadena respiratoria de muchas bacterias "y también funciona bastante bien en la membrana polimérica, incluso un poco mejor que en las membranas lipídicas naturales", dice Nika Marušič, coautora del estudio.
La oxidasa reduce el oxígeno también en la membrana artificial y, por lo tanto, constituye el paso final de la respiración celular. Como han demostrado los investigadores, bombea protones al interior de la vesícula, creando así un requisito previo para la producción de ATP.
Impermeable a los protones.
La membrana artificial es casi impermeable a los protones, pero lo suficientemente fluida y altamente estable (mucho más estable que su contraparte natural) contra los dañinos radicales de oxígeno. La rigidez a la flexión de la membrana de polímero también es similar a la de una membrana natural. Esto es importante porque las células vivas se deforman constantemente. Por lo tanto, el módulo de flexión no debe ser demasiado bajo para que las células puedan mantener su forma. Sin embargo, tampoco debería ser demasiado alto. De lo contrario, la función de las proteínas de membrana complejas se verá comprometida.
En pocas palabras: la química del polímero ofrece excelentes condiciones para el metabolismo energético en una mitocondria artificial. Según Ivanov, todavía hay algunos obstáculos: "Todavía no está claro cómo podría replicarse esta membrana de polímero". Esto sin duda sería necesario para que una célula artificial pueda multiplicarse. Los científicos aún tienen mucho trabajo por delante.
