Les scientifiques ont conçu et connecté deux cellules artificielles différentes pour produire des molécules appelées ATP (adénosine triphosphate). L'ATP est l'unité fondamentale que tous les êtres vivants utilisent pour transporter et fournir de l'énergie pour exécuter les processus dans les cellules. Les scientifiques ont développé un groupe de cellules artificielles qui génèrent des protons lorsqu'elles sont exposées à la lumière. Ils ont également développé différentes cellules artificielles qui contiennent une enzyme capable d'utiliser ces protons pour générer de l'ATP. L'équipe a ensuite connecté les deux types de cellules ensemble.

Cette conception de cellules artificielles utilise de minuscules tiges (nanorods) en argent et en or pour créer une paroi cellulaire biologique similaire à celle de la nature. Ces bâtonnets contrastent avec les lipides (tels que les graisses et les acides gras) que les cellules biologiques utilisent pour fabriquer les parois cellulaires. Ces nanotiges réagissent à la lumière d'une manière qui accélère la vitesse à laquelle certaines protéines peuvent produire des protons.

Les efforts récents pour fabriquer des cellules artificielles ont des membranes remplies de nanoparticules et assemblées dans une capsule colloïdale. La substance membranaire elle-même offre des avantages, notamment des pores réglables à travers lesquels les ions peuvent passer. Cependant, le matériau membranaire peut également influencer les processus inhérents d'intérêt au sein des cellules artificielles.

Publié dans Angewandte Chemie Édition Internationale , l'étude, "Light-Gated Synthetic Protocells for Plasmon-Enhanced Chemiosmotic Gradient Generation and ATP Synthesis" a été conçu pour développer une compréhension de ces effets. Chercheurs du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique du Laboratoire national d'Argonne, une installation utilisateur du Department of Energy Office of Science, créé des cellules artificielles sensibles à la lumière en utilisant des matériaux dits plasmoniques - des nanosystèmes qui peuvent interagir avec la lumière de manière unique - pour les capsules colloïdales.

En outre, une protéine déclenchée par la lumière est utilisée pour piloter un processus de synthèse photo-activé. Les cellules artificielles ont un colloïde rempli de nanotiges d'argent-or (Au-Ag) qui s'auto-assemblent en capsules. Par ailleurs, les nanotiges Au-Ag atteignent une résonance plasmon dans certaines conditions de luminosité. La bactériorhodopsine, protéine activée par la lumière, a ensuite été fixée sur la surface de la capsule.

La bactériorhodopsine a été choisie pour sa capacité à transporter des protons à travers une membrane sous éclairage. La bactériorhodopsine capte l'énergie lumineuse, utilise cette énergie pour pomper des protons à travers la membrane, et convertit les différences de concentrations de protons en énergie chimique.

Le potentiel de type cellulaire de cette conception a été démontré en exploitant les protons en tant que « signaux chimiques » pour déclencher la biosynthèse de l'ATP dans une population de cellules artificielles coexistantes. Au total, les cellules artificielles fonctionnent de manière cohérente avec les objectifs de conception. La large résonance plasmonique des capsules colloïdales Au-Ag a amélioré la probabilité de photoréaction par la protéine activée par la lumière, créant ainsi une nouvelle "protocellule" synthétique contrôlable par la lumière.

Le modèle de protocellule synthétique offre des opportunités pour développer des systèmes alternatifs de conversion d'énergie solaire-chimique.