Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la dynamique des systèmes techniques complexes à Magdebourg, l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces à Potsdam, et l'Université de Halle sont un pas de plus vers une cellule construite synthétiquement. Ils ont utilisé une enzyme présente dans les bactéries pour assembler une partie cruciale de la chaîne respiratoire, essentielle au métabolisme énergétique de nombreuses cellules, et l'ont rendue fonctionnelle dans une membrane polymère artificielle.

La création de cellules artificielles est l'une des grandes visions de la biologie et de l'ingénierie. Certains des visionnaires ambitieux reconstruisent radicalement des cellules qui existent déjà dans la nature. D'autres, comme les chercheurs de Max Planck, empruntent une route encore plus rocailleuse. "Nous voulons construire une nouvelle cellule à partir de zéro en combinant progressivement des composants individuels dans un système vivant avec un métabolisme, " dit Ivan Ivanov, un scientifique du groupe de travail de Kai Sundmacher, Directeur à l'Institut Max Planck de Magdebourg.

Dans une étude récente, les chercheurs ont recherché un polymère artificiel qui aurait les propriétés d'une membrane cellulaire et pourrait également jouer son rôle dans le métabolisme énergétique. Membranes cellulaires naturelles, qui sont constitués de phospholipides, séparer l'intérieur de la cellule de l'environnement. Ils ont à la fois des propriétés hydrophiles et lipophiles et sont le théâtre de réactions biochimiques essentielles qui servent à produire de l'énergie pour la cellule, entre autres. "Inspiré des processus naturels issus du métabolisme énergétique des organismes vivants, nous concevons des organites d'énergie artificielle personnalisés à partir de blocs de construction biologiques et chimiques qui convertissent l'énergie lumineuse ou chimique en ATP, " explique Tanja Vidaković-Koch de l'Institut Max Planck pour la dynamique des systèmes techniques complexes. Presque toutes les réactions chimiques dans la cellule sont alimentées par l'ATP.

Pompe à protons dans une membrane artificielle

Les chercheurs ont maintenant trouvé un polymère disponible dans le commerce (le tensioactif PDMS-g-PEO) qui agit comme une membrane à la place des phospholipides naturels et peut ainsi former des vésicules. De telles vésicules "sont un modèle utile pour la construction d'organites et de cellules artificielles, " explique Rumiana Dimova, spécialiste des biomembranes au Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. Un obstacle majeur a été l'incorporation de protéines fonctionnelles, y compris celles impliquées dans le métabolisme énergétique, dans des membranes polymères.

L'équipe de scientifiques de Max Planck a maintenant réussi à intégrer la pompe à protons bo3 oxydase dans la membrane synthétique. L'enzyme appartient à la chaîne respiratoire de nombreuses bactéries " et fonctionne également assez bien dans la membrane polymère - même légèrement mieux que dans les membranes lipidiques naturelles, " dit Nika Marušič, co-auteur de l'étude.

L'oxydase réduit également l'oxygène dans la membrane artificielle et constitue ainsi l'étape finale de la respiration cellulaire. Comme les chercheurs l'ont montré, il pompe des protons à l'intérieur de la vésicule, créant ainsi une condition préalable à la production d'ATP.

Imperméable aux protons

La membrane artificielle est également presque imperméable aux protons, pourtant suffisamment fluide et très stable (beaucoup plus stable que son homologue naturel) contre les radicaux oxygénés nocifs. La rigidité en flexion de la membrane polymère est également similaire à celle d'une membrane naturelle. Ceci est important car les cellules vivantes se déforment constamment. Le module de flexion ne doit donc pas être trop faible pour que les alvéoles puissent conserver leur forme. Cependant, il ne doit pas non plus être trop élevé non plus. Autrement, la fonction des protéines membranaires complexes sera compromise.

Pour faire simple :la chimie du polymère offre d'excellentes conditions pour le métabolisme énergétique dans une mitochondrie artificielle. Selon Ivanov, il y a encore quelques obstacles cependant :« On ne sait toujours pas comment cette membrane polymère pourrait se répliquer. » Cela serait certainement nécessaire pour qu'une cellule artificielle puisse se multiplier. Les scientifiques ont donc encore beaucoup de travail devant eux.