Biotecnologie: cellule artificiali producono energia per fotosintesi

La ricerca sulle biotecnologie tenta di replicare in maniera artificiale alcuni meccanismi naturali, perfezionandoli possibilmente oppure applicandoli in contesti diversi da quelli previsti da madre natura. In questo caso i ricercatori hanno tentato di creare delle cellule artificiali autosufficienti dal punto di vista energetico. Per arrivare a questo risultato sono state integrate delle reazioni di fotosintesi all’interno delle cellule. 

Le biotecnologie sono uno dei settori tecnologici più promettenti del ventunesimo secolo

Cellule artificiali: che cosa si intende?

La cellula, pur essendo il mattone fondamentale della vita, è un sistema molto complesso costituito a sua volta da tanti sottosistemi. All’interno di una cellule troviamo il nucleo, che contiene il DNA e una serie di organuli che svolgono le più disparate funzioni. Ci sono i mitocondri che si occupano di produrre ATP, ovvero una molecola che fornisce energia all’organismo. I ribosomi si occupano di sintetizzare le proteine. L’apparato di Golgi che classifica e rifinisce le proteine prodotte. I lisosomi che si occupano di distruggere e degradare eventuali sostanza dannose per la cellula. I vacuoli infine sono dei contenitori che conservano nutrienti o sostanza di scarto. Tutti questi organuli insieme ad altre strutture che possono variare a seconda del tipo di cellula interagiscono tra loro, creando un complicato equilibrio che ancora oggi non comprendiamo fino in fondo. 

Anatomia di una cellula eucariote

Ecco perché è davvero molto difficile replicare artificialmente una cellula biologica nella sua interezza. Quelle che molto spesso sentiamo chiamare “cellule artificiali” non sono altro che vescicole sintetiche, riempite con delle strutture in grado di replicare una o più funzioni svolte da una cellula naturale. Una volta che gli scienziati hanno imparato a produrre artificialmente un sistema in grado di svolgere una delle funzioni cellulari, lo incapsulano all’interno di una membrana. Così, passo dopo passo, una cellula artificiale si arricchisce di funzioni e si avvicina sempre più ad una cellula naturale. 

In natura il sistema circolatorio e linfatico si occupano di fornire i nutrienti alle cellule e di allontanare le sostanza di scarto. Le cellule si occupano poi di trasformare le sostanze ricevute in molecole necessarie alla vita. I nutrienti provengono dall’apparato digerente, mentre le sostanza di scarto vengono poi rimosse dall’apparato urinario. Questo significa che le cellule, in natura, si sono organizzate in strutture più complesse (tessuti, organi e apparati o sistemi biologici) che cooperano tra loro per arrivare a perseguire un obiettivo comune. Se è difficile replicare la cellula, riprodurre artificialmente un intero apparato (o più) è una sfida praticamente impossibile allo stato attuale. Ecco perché in laboratorio le cellule artificiali vengono rifornite di nutrienti, molecole fondamentali ed energia tramite un sistema bio-chimico esterno: non sarebbero in grado di farlo in autonomia. Questo limita molto le applicazioni pratiche al di fuori dei laboratori. Ecco perché le nuove cellule dotate di una fonte di energia indipendente è una scoperta di grande rilevanza. 

Una cellula vista al microscopio: si distingue bene il nucleo schiacciato sulla parte superiore e i vari organuli in basso (fonte: Digital Micrograph, Gatan Inc. )

Cellule artificiali: indipendenza energetica tramite la fotosintesi

L’idea di un gruppo di ricercatori guidato dall’Istituto di Tecnologia di Tokyo è stata quella di inserire qualcosa di nuovo all’interno delle cellule artificiale, in modo da renderle indipendenti dal punto di vista energetico. Lo studio pubblicato su Nature Communications spiega nel dettaglio come è stata ottenuta per la prima volta una cellula in grado di sopravvivere senza supporto esterno. I ricercatori hanno inserito nelle cellule artificiali alcuni organuli in grado di produrre nutrienti ed energia tramite processi di fotosintesi. 

Struttura di base di una cellula artificiale

Gli scienziati, guidati da Samuel Berhanu, hanno inserito all’interno della membrana delle loro cellule artificiali alcune proteine derivate da quelle prodotte da alcuni batteri in grado di convertire la luce solare in sostanze utili. In questo modo l’esposizione alla luce ha reso le cellule in grado di auto-produrre energia e tutte le molecole necessarie a soddisfare le funzioni vitali. In realtà le cellule artificiali così create non sono ancora in grado di produrre tutte le sostanza di cui avrebbero bisogno, però il loro comportamento si avvicina molto a quelle delle cellule naturali che riescono ad essere molto indipendenti, soprattutto quelle degli organismi monocellulari. Siamo quindi molto vicini a creare delle cellule totalmente indipendenti come quelle naturali. I ricercatori infatti commentano: 

Le nostre cellule fotosintetiche artificiali spianano la strada alla costruzione di una cellula sintetica completamente indipendente dal punto di vista energetico.

Cosa ce ne facciamo delle cellule artificiali?

Gli sviluppi della scoperta sono molteplici. Prima di tutto si potranno studiare più nel dettaglio i meccanismi che hanno permesso alle cellule primordiali di evolvere nelle cellule moderne, dando agli scienziati dei dati importanti per la ricostruzione dei passaggi fondamentali che hanno portato alla comparsa e allo sviluppo della vita sul nostro pianeta. Inoltre ci potrebbero essere delle applicazioni in campo medico, con la produzione di tessuti e organi artificiale da sostituire a quelli danneggiati. Ma non solo: cellule autosufficienti e appositamente progettate e possono essere introdotte nel corpo di un paziente per svolgere le funzioni più disparate, ad esempio veicolare dei farmaci in maniera capillare. Anche nel campo della tecnica si potrebbero avere importanti risultati con la possibilità di sviluppare sensori e dispositivi biologici. 

Alcuni esemplari di Escherichia Coli, uno dei batteri da cui sono state estratte le proteine per realizzare le reazioni di fotosintesi

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