Impressão artística da célula sintética, com o sistema de produção de ATP ilustrado em verde.
[Imagem: Bert Poolman/BaSyC]
Célula artificial capaz de se reproduzir
As células artificiais teriam um sem-número de aplicações, incluindo criar dispositivos eletrônicos biônicos.Já existem células artificiais com genética própria e até células sintéticas que fazem fotossíntese, mas faltava uma maneira de supri-las com a energia necessária para que elas possam funcionar de maneira contínua.
Um passo essencial para "motorizar" as células artificiais, provendo-lhes um mecanismo de produção de energia, foi dado por Tjeerd Pols, da Universidade de Groningen, na Holanda, que construiu vesículas artificiais capazes de produzir ATP (adenosina trifosfato), o principal portador de energia nas células vivas.
As vesículas usam o ATP para manter seu volume e homeostase iônica. A equipe pretende usar essa rede metabólica na criação de células sintéticas de vida longa e que possam se multiplicar.
"Nosso objetivo é a construção de baixo para cima de uma célula sintética que possa se sustentar e que possa crescer e se dividir," disse o professor Bert Poolman.
Energia para células artificiais
Todas as células vivas produzem ATP como portador de energia, mas alcançar uma produção sustentável de ATP em um tubo de ensaio não é uma tarefa simples."Nos sistemas sintéticos conhecidos, todos os componentes da reação são inseridos dentro de uma vesícula. No entanto, após cerca de meia hora, a reação atinge o equilíbrio e a produção de ATP diminui," explica Poolman. "Queríamos que nosso sistema ficasse longe do equilíbrio, assim como nos sistemas vivos".
As aplicações das células sintéticas incluem sensores vivos, síntese química de produtos e comprimidos ativos que liberam medicamentos somente quando necessário.
[Imagem: Joshua Atkinson/Rice University]
Foram necessários quase quatro anos de pesquisas para alcançar esse objetivo. Uma vesícula lipídica foi equipada com uma proteína de transporte capaz de importar o substrato arginina e exportar o produto ornitina - dentro da vesícula, enzimas decompõem a arginina em ornitina. A energia livre que essa reação fornece é usada para ligar o fosfato ao ADP (adenosina difosfato), formando o ATP. Isso gera resíduos, como amônia e dióxido de carbono, que se difundem através da membrana das vesículas.
"A exportação de ornitina produzida dentro da vesícula impulsiona a importação de arginina, que mantém o sistema em funcionamento enquanto as vesículas são abastecidas com arginina", explica Poolman.
Para criar um sistema fora de equilíbrio, o ATP é usado para manter a força iônica dentro da vesícula. Um sensor biológico mede a força iônica e, se esta se tornar muito alta, ativa uma proteína de transporte que importa uma substância chamada glicina betaína. Isso aumenta o volume celular e, consequentemente, reduz a força iônica. "A proteína de transporte é alimentada por ATP, então temos produção e uso de ATP dentro da vesícula."
Reprodução sintética
O sistema funcionou por 16 horas no experimento mais longo que os cientistas realizaram. "Isso é bastante tempo - algumas bactérias podem se dividir após apenas 20 minutos," disse Poolman. "O sistema atual deve ser suficiente para uma célula sintética que se divide uma vez a cada poucas horas."Eventualmente, diferentes módulos como este serão combinados para criar uma célula sintética que funcionará autonomamente, sintetizando suas próprias proteínas a partir de um genoma sintético.
Bibliografia:
Artigo: A synthetic metabolic network for physicochemical homeostasisAutores: Tjeerd Pols, Hendrik R. Sikkema, Bauke F. Gaastra, Jacopo Frallicciardi, Wojciech M. Smigiel, Shubham Singh, Bert Poolman
Revista: Nature Communications
Vol.: 10, Article number: 4239
DOI: 10.1038/s41467-019-12287-2
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