Une équipe dirigée par le professeur agrégé Yutetsu Kuruma du Earth-Life Science Institute (ELSI) de l'Institut de technologie de Tokyo a construit de simples cellules artificielles capables de produire de l'énergie chimique qui aide à synthétiser des parties des cellules elles-mêmes. Ce travail marque une étape importante dans la construction de cellules artificielles entièrement photosynthétiques, et peut faire la lumière sur la façon dont les cellules primordiales ont utilisé la lumière du soleil comme source d'énergie au début de l'histoire de la vie.

Les scientifiques construisent des cellules artificielles comme modèles de cellules primitives, ainsi que de comprendre le fonctionnement des cellules modernes. De nombreux systèmes subcellulaires ont maintenant été construits en mélangeant simplement des composants cellulaires ensemble. Cependant, les vraies cellules vivantes construisent et organisent leurs propres composants. C'est également un objectif de longue date de la recherche de construire des cellules artificielles qui peuvent également synthétiser leurs propres constituants en utilisant l'énergie disponible dans l'environnement.

L'équipe de Tokyo Tech a combiné un système de synthèse de protéines sans cellules, qui consistait en diverses macromolécules biologiques récoltées à partir de cellules vivantes, et de petits agrégats protéines-lipides appelés protéoliposomes, qui contenait les protéines ATP synthase et bactériorhodopsine, également purifié à partir de cellules vivantes, à l'intérieur de vésicules synthétiques géantes. L'ATP synthase est un complexe protéique biologique qui utilise la différence d'énergie potentielle entre le liquide à l'intérieur d'une cellule et le liquide dans l'environnement de la cellule pour fabriquer la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), qui est la monnaie énergétique de la cellule. La bactériorhodopsine est une protéine collectrice de lumière provenant de microbes primitifs qui utilise l'énergie lumineuse pour transporter les ions hydrogène à l'extérieur de la cellule, générant ainsi une différence d'énergie potentielle pour aider l'ATP synthase à fonctionner. Ainsi, ces cellules artificielles seraient capables d'utiliser la lumière pour créer un gradient d'ions hydrogène qui aiderait à utiliser les piles à combustible pour faire fonctionner leurs systèmes sous-cellulaires, y compris la fabrication de plus de protéines.

Comme les scientifiques l'espéraient, l'ATP photosynthétisé a été consommé comme substrat pour la transcription, le processus par lequel la biologie fabrique l'ARN messager (ARNm) à partir de l'ADN, et comme source d'énergie pour la traduction, le processus par lequel la biologie fabrique des protéines à partir d'ARNm. En incluant également les gènes de certaines parties de l'ATP synthase et de la bactériorhodopsine récoltant la lumière, ces processus finissent également par entraîner la synthèse de davantage de bactériorhodopsine et des protéines constitutives de l'ATP synthase, dont quelques copies ont été incluses pour « relancer » le protéoliposome. Les parties nouvellement formées de la bactériorhodopsine et de l'ATP synthase se sont ensuite spontanément intégrées dans les organites photosynthétiques artificielles et ont encore amélioré l'activité de photosynthèse de l'ATP.

Le professeur Kuruma dit, « J'essaie depuis longtemps de construire une cellule artificielle vivante, en particulier sur les membranes. Dans ce travail, nos cellules artificielles étaient enveloppées de membranes lipidiques, et de petites structures membranaires étaient encapsulées à l'intérieur. De cette façon, la membrane cellulaire est l'aspect le plus important de la formation d'une cellule, et je voulais montrer l'importance de ce point dans l'étude des cellules artificielles et du retour d'expérience dans les études sur les origines de la vie."

Kuruma pense que le point le plus marquant de ce travail est que les cellules artificielles peuvent produire de l'énergie pour synthétiser les parties de la cellule elle-même. Cela signifie que les cellules artificielles pourraient être rendues énergétiquement indépendantes et qu'il serait alors possible de construire des cellules autonomes, tout comme les cellules biologiques réelles. "La chose la plus difficile dans ce travail était la photosynthèse des parties bactériorhodopsine et ATP synthase, qui sont des protéines membranaires. Nous avons essayé de photosynthétiser une ATP synthase complète, qui a 8 types de protéines composantes, mais nous n'avons pas pu en raison de la faible productivité du système de synthèse des protéines acellulaires. Mais, s'il a été mis à niveau, nous pouvons photosynthétiser l'ensemble des 8 types de protéines constitutives."

Néanmoins, ce travail démontre qu'un système simple d'inspiration biologique comprenant deux types de protéines membranaires est capable de fournir de l'énergie pour piloter l'expression des gènes à l'intérieur d'un microcompartiment. Ainsi, les cellules primordiales utilisant la lumière du soleil comme source d'énergie primaire auraient pu exister tôt dans l'évolution de la vie avant l'apparition des cellules autotrophes modernes. L'équipe pense que les tentatives de construction de cellules artificielles vivantes aideront à comprendre la transition de la matière non vivante à la matière vivante qui a eu lieu sur la Terre primitive et, aider à développer des dispositifs basés sur la biologie qui peuvent détecter la lumière et conduire des réactions biochimiques. Ces systèmes de cellules photosynthétiques artificielles aident également à ouvrir la voie à la construction de cellules artificielles énergétiquement indépendantes.