Combinația dintre membrana biologică și chimia artificială ar putea alimenta viitoarele organisme sintetice.
Există o nouă modalitate de utilizare a dioxidul de carbon. Cercetătorii au construit o versiune artificială a unui cloroplast, structură cu proprietăți de fotosinteză din interiorul celulelor plantelor. Acesta utilizează lumina provenită de la soare, iar prin intermediul unei căi chimice proiectate în laborator, transforma CO2 în zahăr.
Fotosinteza artificială poate fi folosită pentru a conduce mici fabrici de energie solară, care eliberează medicamente terapeutice. Astfel, deoarece noua modalitate chimică este mai eficientă în comparație cu orice ne rezervă natura. Echipa speră că printr-un proces similar ar putea, într-o bună zi, să ajute la eliminarea dioxidului de carbon din atmosferă, însă, nu este încă clar dacă ar putea deveni o operațiune fezabilă din punct de vedere economic. Lucrarea a fost publicată în data de 7 mai, în cadrul revistei Science.
Natura a dezvoltat șase căi pentru „fixarea” dioxidului de carbon, respectiv transformarea acestuia în zahăr, folosind enzime care valorifică energia solară sau chimică. În anul 2016, Tobias Erb, biolog în cadrul Institutului Max Planck pentru Microbiologie Terestră din Marburg, Germania, și colegii săi au descoperit o a 7-a metodă . „Am folosit pur și simplu considerente termodinamice și cinetice pentru a ne întreba dacă am putea regândi „fixarea”dioxidului de carbon și să facem acest proces mai eficient”, declară Erb. Au numit acest ciclu CETCH, o rețea complicată de enzime, care este cu 20% mai eficientă din punct de vedere energetic decât calea folosită în cazul producerii naturale a fotosintezei.
Cu toate acestea, nu era clar dacă ciclul CETCH va fi compatibil cu restul echipamentelor unei celule vii. Pentru a explora această posibilitate, colega lui Erb, Tarryn Miller, a utilizat spanacul. Ea a extras ușor membranele din cloroplaste, din organele fotosintetice comune tuturor plantelor, și le-a depozitat într-un vas de reacție, alături de cele 16 enzime ale ciclului lor, CETCH. După câteva modificări, Erb, Miller și colaboratorii lor au descoperit faptul că ar putea fi posibil ca membranele spanacului și aceste enzime să funcționeze împreună.
Aceștia au creat cu succes un cloroplast artificial, în care membranele recoltează energia solară, înainte ca enzimele sintetice ale ciclului CETCH să o folosească pentru a descompune dioxidul de carbon. Enzimele transformă CO2-ul într-o moleculă numită glicolat, care poate fi utilizată ca materie primă pentru a realiza produse organice.
„Este o descoperire importantă”, declară Paul King, biochimist în cadrul Laboratorului Național de Energie Regenerabilă din Golden, Colorado, care nu a fost implicat în studiu.
Deși este doar un exemplu, există deja posibilitatea de a ne gândi la modalități prin care cloroplastele artificiale ar putea fi puse în funcțiune, relatează autorii. Datorită progreselor apărute în biologia sintetică, microbii pot fi acum proiectați pentru a elimina molecule utile, cum ar fi medicamentele farmaceutice. Există însă și anumite blocaje care pot apărea în cazul sintetizării în interiorul celulelor vii. Erb susține faptul că aceste cloroplastele artificiale ar putea alimenta mini-reactoarele, capabile să producă molecule pe care celulele vii nu le pot produce.
Acest lucru ar putea deveni mult mai eficient, în comparație cu microbii,relatează Kate Adamala, biolog în cadrul Universității din Minnesota, Minneapolis. „Celulele naturale consumă multă energie pentru a rămâne în viață, pe când, cele sintetice nu trebuie să crească, să se reproducă sau să mențină funcții asemănătoare vieții”, spune ea. Aceasta face ca întregul „metabolism” al unui sistem sintetic să fie concentrat pe producerea de substanțe chimice valoroase. Adamala susține faptul că este posibil chiar să ne imaginăm cloroplastele artificial, care au un rol în captarea dioxidului de carbon din atmosferă.
Cu toate acestea, există o serie de probleme care necesită rezolvare, înainte ca aceste aplicații să poată fi puse în practică. Spre exemplu, membranele spanacului, din cloroplastele artificial, funcționează doar câteva ore,după care acestea începe să se degradeze, limitând durata de viață a sistemului. Pe lângă asta, creșterea spanacului și extragerea membranelor din celulele sale necesită o perioadă îndelungată de timp. „Folosirea extractelor de cloroplast nu reprezintă cel mai inteligent lucrude făcut, pentru a obține un produs de calitate”, declară Erb. Din această cauză, echipa sa dezvoltă, de asemenea, sisteme artificiale pentru a înlocui membranele spanacului.
Există, de asemenea, posibilitatea de a utiliza cloroplastele artificiale pentru a construi organisme în totalitate sintetice,acestea fiind realizate în laborator, din elementele biologice de bază, dar acest lucru reprezintă o altă provocare.
„Există posibilitatea de a utiliza o imitație a cloroplastului ca sistem de producție de energie pentru celulele artificiale”, susține Yutetsu Kuruma, biolog în cadrul Institutului de Tehnologie din Tokyo. Pentru ca acest lucru să devină posibil, acesta considerăcă ar fi util ca aceste cloroplastele artificiale să aibă o anumită capacitate de auto-reparare și auto-reproducere, așa cum au cloroplastele naturale. Acest lucru nu este încă posibil.
Cu toate acestea, Erb, împreună cu colegii săi, nu s-au lăsat descurajați,începând experimentele cu celulele sintetice. Echipa a început să colaboreze cu cercetătorii din cadrul Institutului J. Craig Venter din La Jolla, California, unde, în anul 2016, au fost dezvoltatecelule sintetice minuscule,continuând cu crearea numărului minim de gene necesare vieții. Planul acestora constă în plasarea ciclului CETCH în interiorul celulelor „minime”, ceea ce ar putea reprezenta un mic pas spre realizarea unei vieți sintetice, care să se poată hrăni singură, prin consumul de dioxid de carbon.
„Natura poate fi extreme de conservatoare, gamă de opțiuni de fotosintezăne fiind explorată în totalitate”, declară Erb. „Acest lucru ne încântă, deoarece putem realiza lucruri pe care natura nu a reușit să ni le ofere niciodată”.