光合成と細胞呼吸による自律的なエネルギー生成のためのリポソーム内の人工葉緑体とミトコンドリアの概念。 クレジット: 西江大学生物界面グループ
エネルギーを生成する合成オルガネラが人工細胞をどのように維持できるかを評価します。
研究者は、合成細胞でのエネルギー生産のための人工ミトコンドリアと葉緑体の作成における進歩と課題を評価してきました。 これらの人工オルガネラは、新しい生物や生体材料の開発を可能にする可能性があります。 研究者らは、分子回転機構、プロトン輸送、および細胞の主要なエネルギー通貨として機能する ATP 産生の最も重要な構成要素としてタンパク質を特定しました。
自然界でのエネルギー生産は、葉緑体とミトコンドリアの責任であり、実験室で持続可能な合成細胞を製造するために重要です。 ミトコンドリアは、中学生の生物学の格言にあるように「細胞の発電所」であるだけでなく、人工的に複製する最も複雑な細胞内構成要素の 1 つでもあります。
の 生物物理学のレビュー、AIP パブリッシングによる、韓国のソガン大学と中国のハルビン工科大学の研究者は、人工ミトコンドリアと葉緑体の最も有望な進歩と最大の課題を特定しました。
「これは、生命の起源と細胞の起源を理解する上で重要なマイルストーンになる可能性があります。」 — シン・グァンウ
「科学者が人工のミトコンドリアと葉緑体を作成できれば、エネルギーを生成し、分子を自律的に合成できる合成細胞を開発できる可能性があります。 これにより、まったく新しい生物や生体材料の作成への道が開かれるでしょう」と著者のKwanwoo Shinは述べています。
植物では、葉緑体は太陽光を利用して水と二酸化炭素をグルコースに変換します。 植物にも動物にもあるミトコンドリアは、ブドウ糖を分解してエネルギーを生み出します。
細胞がエネルギーを生成すると、多くの場合、アデノシン三リン酸 (ATP) と呼ばれる分子を使用して、そのエネルギーを貯蔵および伝達します。 細胞が ATP を分解すると、細胞の機能を強化するエネルギーが放出されます。
「言い換えれば、ATP は細胞の主要なエネルギー通貨として機能し、細胞が細胞機能のほとんどを実行するために不可欠です」と Shin 氏は述べています。
チームは、合成ミトコンドリアと葉緑体を構築するために必要なコンポーネントについて説明し、タンパク質を分子回転機構、プロトン輸送、および ATP 生産の最も重要な側面として特定しています。
以前の研究では、エネルギーを生成するオルガネラを構成するコンポーネントが再現されています。 最も有望な研究のいくつかは、複雑なエネルギー生成プロセスに含まれる中間操作を調査しています。 タンパク質と酵素のシーケンスを接続することにより、研究者はエネルギー効率を改善しました。
エネルギー生産オルガネラを再構築しようとする際に残っている最も重要な課題の 1 つは、ATP の安定した供給を維持するために、環境の変化に自己適応できるようにすることです。 今後の研究では、合成細胞が自立可能になる前に、この制限機能を改善する方法を調査する必要があります。
著者らは、自然のプロセスを模倣する生物学的に現実的なエネルギー生成方法を備えた人工細胞を作成することが重要であると考えています。 細胞全体を複製することは、将来の生体材料につながり、過去への洞察を提供する可能性があります.
「これは、生命の起源と細胞の起源を理解する上で重要なマイルストーンになる可能性があります」とシン氏は言います。
参照: 「人工細胞における持続可能な化学エネルギー変換と生産のための人工細胞小器官: 人工ミトコンドリアと葉緑体」Hyun Park、Weichen Wang、Seo Hyeon Min、Yongshuo Ren、Kwanwoo Shin、Xiaojun Han 著、2023 年 3 月 28 日、 生物物理学.
DOI: 10.1063/5.0131071