Tế bào nhân tạo – Nhà máy của tương lai
Khái niệm về lục lạp nhân tạo và ty thể trong một liposome để tạo ra năng lượng tự duy trì thông qua quá trình quang hợp và hô hấp tế bào. Ảnh: Nhóm Giao diện Sinh học, Đại học Sogang
Đánh giá làm thế nào các bào quan tổng hợp tạo ra năng lượng có thể duy trì các tế bào nhân tạo.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá tiến độ và thách thức trong việc tạo ra ty thể nhân tạo và lục lạp để sản xuất năng lượng trong các tế bào tổng hợp. Các bào quan nhân tạo này có khả năng cho phép phát triển các sinh vật hoặc vật liệu sinh học mới. Các nhà nghiên cứu đã xác định protein là thành phần quan trọng nhất đối với máy quay phân tử, vận chuyển proton và sản xuất ATP, đóng vai trò là tiền tệ năng lượng chính của tế bào.
Sản xuất năng lượng trong tự nhiên là trách nhiệm của lục lạp và ty thể và rất quan trọng để chế tạo các tế bào tổng hợp, bền vững trong phòng thí nghiệm. Ty thể không chỉ là “nhà máy điện của tế bào”, như câu ngạn ngữ sinh học ở trường trung học cơ sở, mà còn là một trong những thành phần nội bào phức tạp nhất để tái tạo nhân tạo.
Trong Các bài đánh giá về lý sinh, của Nhà xuất bản AIP, các nhà nghiên cứu từ Đại học Sogang ở Hàn Quốc và Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân ở Trung Quốc đã xác định những tiến bộ hứa hẹn nhất và những thách thức lớn nhất của ty thể nhân tạo và lục lạp.
“Đây có thể là một cột mốc quan trọng trong việc tìm hiểu nguồn gốc sự sống và nguồn gốc tế bào.” — Kwanwoo Shin
“Nếu các nhà khoa học có thể tạo ra ti thể và lục lạp nhân tạo, chúng ta có khả năng phát triển các tế bào tổng hợp có thể tạo ra năng lượng và tổng hợp các phân tử một cách tự động. Điều này sẽ mở đường cho việc tạo ra các sinh vật hoặc vật liệu sinh học hoàn toàn mới”, tác giả Kwanwoo Shin cho biết.
Ở thực vật, lục lạp sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi nước và carbon dioxide thành glucose. Ti thể, được tìm thấy ở cả thực vật và động vật, tạo ra năng lượng bằng cách phân hủy glucose.
Một khi tế bào tạo ra năng lượng, nó thường sử dụng một phân tử gọi là adenosine triphosphate (ATP) để lưu trữ và truyền năng lượng đó. Khi tế bào phá vỡ ATP, nó sẽ giải phóng năng lượng cung cấp năng lượng cho các chức năng của tế bào.
Shin nói: “Nói cách khác, ATP đóng vai trò là đồng tiền năng lượng chính của tế bào và nó rất quan trọng để tế bào thực hiện hầu hết các chức năng của tế bào.
Nhóm nghiên cứu mô tả các thành phần cần thiết để xây dựng ty thể và lục lạp tổng hợp, đồng thời xác định protein là khía cạnh quan trọng nhất đối với máy quay phân tử, vận chuyển proton và sản xuất ATP.
Các nghiên cứu trước đây đã sao chép các thành phần tạo nên các bào quan sản xuất năng lượng. Một số công việc hứa hẹn nhất điều tra các hoạt động trung gian liên quan đến quá trình tạo năng lượng phức tạp. Bằng cách kết nối chuỗi protein và enzyme, các nhà nghiên cứu đã cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.
Một trong những thách thức quan trọng nhất còn lại trong việc cố gắng tái tạo lại các bào quan sản xuất năng lượng là cho phép tự thích nghi trong môi trường thay đổi để duy trì nguồn cung cấp ATP ổn định. Các nghiên cứu trong tương lai phải điều tra làm thế nào để cải thiện tính năng hạn chế này trước khi các tế bào tổng hợp có thể tự bền vững.
Các tác giả tin rằng điều quan trọng là tạo ra các tế bào nhân tạo với các phương pháp tạo năng lượng thực tế về mặt sinh học bắt chước các quá trình tự nhiên. Tái tạo toàn bộ tế bào có thể dẫn đến các vật liệu sinh học trong tương lai và cho phép hiểu rõ hơn về quá khứ.
“Đây có thể là một cột mốc quan trọng trong việc tìm hiểu nguồn gốc sự sống và nguồn gốc tế bào,” Shin nói.
Tham khảo: “Các bào quan nhân tạo để chuyển đổi và sản xuất năng lượng hóa học bền vững trong tế bào nhân tạo: Ty thể và lục lạp nhân tạo” của Hyun Park, Weichen Wang, Seo Hyeon Min, Yongshuo Ren, Kwanwoo Shin và Xiaojun Han, ngày 28 tháng 3 năm 2023, Vật lý sinh học.
DOI: 10.1063/5.0131071
