Dalla biologia sintetica una cellula in grado di effettuare la fotosintesi

La biologia sintetica o synbio è quel ramo scientifico della biologia che ha come obiettivo la creazione in laboratorio di microrganismi artificiali e/o la sintesi efficacie e veloce di lunghe sequenze di DNA senza utilizzare alcun modello naturale.

Erano i primi anni 2000 quando il John Craig Venter Institute (JCVI), allora chiamato The Institute for Genomic Research (TIGR), avviò il progetto di ricerca sulla creazione della prima cellula sintetica con DNA minimo in grado di sopravvivere ed auto-replicarsi.

Dopo quasi vent’anni di ricerca scientifica in questo settore, da parte di ricercatori di tutto il mondo, oggi le cellule artificiali stanno diventando sempre più simili a quelle biologiche.

Infatti, a compiere recentemente un importante passo in questa direzione sono stati alcuni ricercatori del Tokyo Institute of Technology, in Giappone, che hanno creato in laboratorio una cellula artificiale in grado di produrre energia chimica tramite il processo della fotosintesi, ed essere quindi autosufficiente. Tale studio è stato pubblicato recentemente su Nature Communications.

In questo studio, le cellule artificiali sono state avvolte in membrane lipidiche, insieme a piccole strutture di membrana. All’interno delle membrane lipidiche sono stati inseriti gli enzimi ATP sintasi e la batteriorodopsina (Fig. 1), una proteina di membrana che funge da pompa protonica.

Figura 1 – Modello 3D della proteina enzimatica batteriorodopsina.

Precisamente, la batteriorodopsina cattura energia luminosa e la utilizza per spostare i protoni (H⁺) dall’interno verso l’esterno della cellula. Il prodotto che ne risulta, definito gradiente protonico, viene successivamente convertito in energia chimica, tramite la sintesi della molecola adenosina trifosfato (ATP), la moneta energetica per tutti i processi vitali, ad opera della proteina ATP sintasi (Fig. 2).

Figura 2 – Rappresentazione schematica delle componenti molecolari principali della cellula sintetica creata e del sistema biochimico alla base del fenomeno della fotosintesi.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno osservato che il processo di fotosintesi è avvenuto con successo: le cellule artificiali, infatti, hanno imitato le cellule biologiche, producendo l’RNA messaggero (mRNA), fondamentale per la sintesi delle proteine. Inoltre, i ricercatori hanno incluso i geni codificanti per l’ATP sintasi e la batteriorodopsina, osservando che le cellule artificiali erano in grado di produrre quantità adeguate di queste proteine permettendo l’avvio del processo biochimico.

Sebbene i risultati della ricerca siano promettenti, poiché dimostrano come una cellula artificiale sia in grado di essere autosufficiente, i ricercatori hanno precisato che la cellula non è ancora in grado di produrre l’intera gamma di proteine come una vera e propria cellula naturale. Infatti, una ATP sintasi è costituita da 8 tipi di proteine. Qualora il sistema dovesse essere potenziato, attraverso la sintesi di una ATP sintasi completa, i risultati ottenuti potrebbero fornire importanti indizi sulle prime fasi dell’evoluzione della vita, ovvero su come le cellule primordiali usassero la luce solare come fonte di energia.

Inoltre, secondo gli autori di questo studio, i risultati ottenuti non solo potrebbero aiutarci a far luce su come si sviluppano e lavorano le cellule del nostro organismo, ma potrebbero anche essere fondamentali per lo sviluppo di altre aree di ricerca, come la produzione di tessuti e organi artificiali.

Sitografia

Bibliografia

Samuel Berhanu, Takuya Ueda & Yutetsu Kuruma. Artificial photosynthetic cell producing energy for protein synthesis. Nature Communications, volume 10, Article number: 1325. 2019.

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