CELLULE ARTIFICIALI DIVENTANO ENERGETICAMENTE AUTONOME CONVERTENDO LUCE IN ENERGIA CHIMICA
Uno studio realizzato dai ricercatori del Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro è stato recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS (https://www.pnas.org/content/118/7/e2012170118) e riporta importanti sviluppi nell’ambito della costruzione di “cellule artificiali” fotosintetiche capaci di convertire l’energia luminosa in energia chimica.
Lo studio è stato condotto in collaborazione con l’Istituto dei Processi Chimico-Fisici (IPCF) del CNR di Bari, l’Università del Salento di Lecce, l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova e l’Institut de Chimie et Biochimie Moléculaires et Supramoléculaires, dell’Université de Lyon in Francia.
La costruzione di cellule artificiali energeticamente autonome – mediante un approccio bottom-up – rappresenta uno dei traguardi più ambiziosi nell’ambito della Biologia Sintetica, un’area di frontiera della biologia moderna.
Questo lavoro rappresenta un ulteriore passo avanti in questa linea di ricerca, in quanto ha mostrato come sia possibile adottare un approccio di tipo ingegneristico al problema, estraendo e riutilizzando componenti cellulari esistenti in natura, a livello di specifici organelli. Da batteri fotosintetici sono stati, infatti, estratti, in modo semplice ed efficace, particolari nanostrutture (i “cromatofori”) capaci di produrre ATP – una molecola ricca di energia – sotto irraggiamento di luce infrarossa. I cromatofori sono stati poi incapsulati all’interno di vescicole lipidiche più grandi, ottenendo, come risultato finale, “cellule artificiali” che sono in grado di portare a termine complesse reazioni, grazie alla continua generazione di ATP al loro interno, quando sottoposte a illuminazione continua. Per dimostrare la validità di questo approccio, le cellule sintetiche sono state progettate in modo tale da sintetizzare RNA messaggero a partire dal DNA (una reazione chiave delle cellule viventi). In linea di principio, ogni altra reazione che necessita di ATP diventa adesso facilmente realizzabile nelle cellule artificiali grazie all’impiego dei cromatofori. Questi risultati permetteranno di progredire velocemente verso la costruzione di cellule artificiali più complesse, dedicate sia alla scienza di base che a potenziali applicazioni biotecnologiche e biomediche.
“Questo studio dimostra – spiegano il ricercatore Emiliano Altamura e il prof. Fabio Mavelli, coordinatori della ricerca – che è possibile riconsiderare il processo di costruzione di cellule artificiali utilizzando un approccio ibrido sintetico/biologico. La natura infatti ha già perfezionato, durante il processo evolutivo, l’efficienza di processi biochimici all’interno di organismi, procarioti ed eucarioti, generando organelli e/o porzioni di membrana dedicati a specifiche funzioni. Per questa ragione abbiamo pensato di utilizzare strutture compartimentalizzate cellulari, come organelli per i nostri sistemi artificiali. Il risultato ottenuto ha dimostrato che aumentare l’efficienza, in termini di resa di ATP foto-prodotto, non significhi necessariamente incrementare la difficoltà di realizzazione di questi sistemi, proprio grazie a un approccio ibrido. Essere riusciti a creare un sistema ex novo capace di dar luogo ad un processo così delicato come la trascrizione del DNA, innescato e sostenuto dalla luce, dimostra che siamo sulla strada giusta per la generazione di cellule artificiali foto-autotrofe. Il nostro design ibrido, infatti, apre le porte all’inclusione di altri organelli naturali facili da estrarre (come cloroplasti, mitocondri, ecc.), aumentando la versatilità dell’approccio bottom-up e quindi accelerando il possibile utilizzo di cellule artificiali in applicazioni di interesse biotecnologico e biomedico”.
La ricerca è stata supportata dall’Università degli Studi di Bari Aldo Moro. Il titolo originale del lavoro è “Chromatophores efficiently promote light-driven ATP synthesis and DNA transcription inside hybrid multicompartment artificial cells”, PNAS 2021, DOI 10.1073/pnas.2012170118. Autori: Altamura E., Albanese P., Marotta R., Milano F., Fiore M., Trotta M., Stano P., and Mavelli F.
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