Células artificiales: la central eléctrica del futuro

Concepto de cloroplastos y mitocondrias artificiales dentro de un liposoma para la generación de energía autosuficiente a través de la fotosíntesis y la respiración celular. Crédito: Grupo de interfaz biológica, Universidad de Sogang

Evaluar cómo los orgánulos sintéticos generadores de energía podrían sustentar células artificiales.

Los investigadores evaluaron el progreso y los desafíos en la creación de mitocondrias y cloroplastos artificiales para la producción de energía en células sintéticas. Estos orgánulos artificiales podrían potencialmente permitir el desarrollo de nuevos organismos o biomateriales. Los investigadores han identificado las proteínas como los componentes más cruciales para la maquinaria de rotación molecular, el transporte de protones y la producción de ATP, que sirve como moneda de energía primaria de la célula.

La producción de energía en la naturaleza es responsabilidad de los cloroplastos y las mitocondrias y es fundamental para fabricar células sintéticas sostenibles en el laboratorio. Las mitocondrias no son solo «las centrales eléctricas de la célula», como dice el adagio de biología de la escuela secundaria, sino también uno de los componentes intracelulares más complejos para replicar artificialmente.

En Reseñas de biofísicade AIP Publishing, investigadores de la Universidad de Sogang en Corea del Sur y el Instituto de Tecnología de Harbin en China han identificado los avances más prometedores y los mayores desafíos de las mitocondrias y los cloroplastos artificiales.

“Si los científicos pueden crear mitocondrias y cloroplastos artificiales, potencialmente podríamos desarrollar células sintéticas que puedan generar energía y sintetizar moléculas por sí mismas. Esto allanaría el camino para la creación de organismos o biomateriales completamente nuevos», dijo el autor principal Kwanwoo Shin.

En las plantas, los cloroplastos utilizan la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en glucosa. Las mitocondrias, que se encuentran tanto en plantas como en animales, producen energía al descomponer la glucosa.

Una vez que una célula produce energía, a menudo utiliza una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP) para almacenar y transferir esa energía. Cuando la célula descompone el ATP, libera energía que alimenta las funciones de la célula.

«En otras palabras, el ATP actúa como la moneda de energía primaria de la célula y es vital para que la célula realice la mayoría de las funciones celulares», dijo Shin.

El equipo describe los componentes necesarios para construir mitocondrias y cloroplastos sintéticos e identifica las proteínas como los aspectos más importantes para el mecanismo molecular de rotación, transporte de protones y producción de ATP.

Estudios anteriores han replicado los componentes que forman los orgánulos productores de energía. Algunos de los trabajos más prometedores investigan las operaciones intermedias involucradas en el complejo proceso de generación de energía. Al vincular la secuencia de proteínas y enzimas, los investigadores han mejorado la eficiencia energética.

Uno de los desafíos más importantes que quedan al tratar de reconstruir los orgánulos productores de energía es permitir la autoadaptación en entornos cambiantes para mantener un suministro estable de ATP. Los estudios futuros deben investigar cómo mejorar esta característica limitante antes de que las células sintéticas sean autosuficientes.

Los autores creen que es importante crear células artificiales con métodos de generación de energía biológicamente realistas que imiten los procesos naturales. La replicación de toda la célula podría conducir a futuros biomateriales y proporcionar información sobre el pasado.

«Este podría ser un hito importante en la comprensión del origen de la vida y el origen de las células», dijo Shin.

Referencia: «Orgánulos artificiales para la conversión y producción de energía química sostenible en células artificiales: mitocondrias y cloroplastos artificiales» por Hyun Park, Weichen Wang, Seo Hyeon Min, Yongshuo Ren, Kwanwoo Shin y Xiaojun Han, 28 de marzo de 2023, Biofísica.
DOI: 10.1063/5.0131071