به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان پیشرفت و چالش‌های ایجاد میتوکندری مصنوعی و کلروپلاست برای تولید انرژی در سلول‌های مصنوعی را ارزیابی کرده‌اند، زیرا این اندامک‌های مصنوعی می‌توانند به طور بالقوه امکان توسعه موجودات یا بیومواد جدید را فراهم کنند. محققان پروتئین‌ها را به‌عنوان مهم‌ترین اجزای ماشین‌های چرخشی مولکولی، انتقال پروتون و تولید ATP شناسایی کردند که به عنوان ارز انرژی اولیه سلول عمل می‌کند. در واقع سلول مجموعه‌ای از رویدادهای بیوشیمیایی را به منظور حفظ فعالیت‌های متابولیکی ثابت و پیچیده از تقسیم تا رشد و مرگ، حفظ می‌کند. در طبیعت، یک توالی تنظیم شده از این فرآیندهای بیوشیمیایی در سلول‌ها اتفاق می افتد و به عنوان متابولیسم شناخته می‌شود. دو مسیر متابولیک در بدن تنظیم شده است: کاتابولیسم (تجزیه مواد مغذی) و آنابولیسم (سنتز مولکول‌های ضروری). در زندگی واقعی، "محرک" خارجی فعالیت متابولیکی طولانی مدت و وابسته به انرژی را در طول مسیر واکنش امکان پذیر می کند. برای درک صحیح این مسیرهای واکنش، آنها با آبشارهای بیوشیمیایی مختلفی که در سلول‌ها رخ می‌دهند، با یکدیگر تعامل دارند و اغلب در همان زمان اتفاق می‌افتند، مرتبط هستند.

اهمیت میتوکندری و کلروپلاست در سلول

تولید انرژی در طبیعت به عهده کلروپلاست‌ها و میتوکندری‌ها است و این دو برای ساخت سلول‌های مصنوعی و پایدار در آزمایشگاه بسیار مهم هستند. همانطور که ضرب المثل زیست شناسی دوره راهنمایی می‌گوید، میتوکندری‌ها نه تنها «نیروگاه سلول» هستند، بلکه یکی از پیچیده ترین اجزای درون سلولی برای تکثیر مصنوعی نیز هستند. در بررسی‌های بیوفیزیک، توسط انتشارات AIP، محققان دانشگاه Sogang در کره جنوبی و موسسه فناوری هاربین در چین، امیدوارکننده ترین پیشرفت‌ها و بزرگترین چالش‌های تولید میتوکندری مصنوعی و کلروپلاست‌ها را شناسایی کردند.

فواید ایجاد میتوکندری و کلروپلاست مصنوعی

اگر دانشمندان بتوانند میتوکندری و کلروپلاست مصنوعی بسازند، ما به طور بالقوه می‌توانیم سلول‌های مصنوعی ایجاد کنیم که می‌توانند به طور مستقل انرژی تولید کنند و مولکول‌ها را سنتز کنند. Kwanwoo Shin ، نویسنده این مطالعه گفت: این امر راه را برای ایجاد موجودات یا مواد زیستی کاملاً جدید هموار می کند و می‌تواند نقطه عطف مهمی در درک منشاء حیات و منشاء سلول‌ها باشد.

عملکرد میتوکندری در تولید انرژی

در گیاهان، کلروپلاست‌ها از نور خورشید برای تبدیل آب و دی اکسید کربن به گلوکز استفاده می‌کنند و میتوکندری نیز که در گیاهان و حیوانات به طور یکسان یافت می‌شود، با تجزیه گلوکز انرژی تولید می‌کند. هنگامی که یک سلول انرژی تولید می‌کند، اغلب از مولکولی به نام آدنوزین تری فسفات (ATP) برای ذخیره و انتقال آن انرژی استفاده می‌کند. هنگامی که سلول ATP را تجزیه می‌کند، انرژی آزاد می‌کند و این خود عملکرد سلول را تقویت می‌کند. شین می‌گوید: «به عبارت دیگر، ATP به عنوان ارز اصلی انرژی سلول عمل می‌کند و برای سلول حیاتی است که بسیاری از عملکردهای سلولی را انجام دهد. به بیانی ساده تریک میتوکندری مصنوعی واکنشی را تقلید می‌کند که در غشای داخلی میتوکندری یوکاریوتی یا غشای سلولی پروکاریوتی رخ می‌دهد که فسفوریلاسیون اکسیداتیو نامیده می‌شود. PMF توسط یک سری اکسیدوردوکتاز به نام زنجیره انتقال الکترون (ETC) در فرآیند تبادل الکترون با برخی از حامل‌های الکترون مانند NADH، کینون و سیتوکروم تشکیل می‌شود. در نهایت، ATPase از PMF برای سنتز ATP از آئونوزین دی فسفات استفاده می‌کند. (ADP) و فسفات معدنی. ATP سنتاز (ATPase)، یک نوع موتور مولکولی دوار و آنزیمی است که ATP را از ADP و فسفات تولید می‌کند و در حال حاضر یکی از گسترده‌ترین ماشین‌های مولکولی طبیعی است که مورد مطالعه قرار گرفته است. غشای میتوکندری داخلی و غشای پلاسمایی باکتری‌ها. از دو بخش تشکیل شده است، یعنی پایه آبگریز FO و سر آب دوست F1. FO در غشاء تعبیه شده است و بیشتر F1 به غشای بیرونی اشاره دارد .این دو بخش می‌چرخند و با یکدیگر همکاری می‌کنند تا سنتز و هیدرولیز ATP را با هم کامل کنند.

زنجیره انتقال و تبدیل انرژی

ماژول‌های تبدیل انرژی پایدار یکی از چالش‌های اصلی برای ساخت آبشارهای مولکولی پیچیده در سلول‌های مصنوعی هستند. در همین راستا پیشرفت‌های اخیر در بیوتکنولوژی به دنبال تقلید از اندامک‌های تولید انرژی برای داشتن یک منبع پایدار انرژی هستند. عمدتاً سه جزء در اندامک‌های مصنوعی مشترک هستند: محفظه غشایی که قسمت‌های داخلی و خارجی را جدا می‌کند، پروتئین‌های غشایی برای جابجایی پروتون و ماشین چرخشی مولکولی برای سنتز ATP. بسته به عوامل شروع، آنها بیشتر به میتوکندری مصنوعی و کلروپلاست مصنوعی طبقه بندی می‌شوند که به ترتیب از مواد مغذی شیمیایی برای فسفوریلاسیون اکسیداتیو و نور برای فتوسنتز استفاده می‌کنند. در این بررسی، اجزای ضروری مورد نیاز برای اندامک‌های مصنوعی را خلاصه کرده و سپس پیشرفت اخیر در تولید دو اندامک مصنوعی مختلف را بررسی می‌کنیم. با مطالعه بیشتر بر روی میتوکندری مصنوعی و کلروپلاست‌های مصنوعی، انتظار می‌رود که آنها ابزارهای بسیار قدرتمندی باشند که به ما امکان دهند که به واکنش‌های پیچیده آبشاری در سلول‌های مصنوعی دست یابیم، مانند واکنش‌هایی که در سلول‌های واقعی اتفاق می‌افتد.

نتایج یافت شده از این مطالعه

این تیم اجزای مورد نیاز برای ساختن میتوکندری‌های مصنوعی و کلروپلاست‌ها را توصیف کردند و پروتئین‌ها را به عنوان مهم ترین جنبه‌های ماشین‌های چرخشی مولکولی، انتقال پروتون و تولید ATP نیز شناسایی و معرفی کردند. مطالعات قبلی اجزایی را تکرار کرده اند که اندامک‌های تولید کننده انرژی را تشکیل می‌دهند. برخی از امیدوارکننده‌ترین کارها، عملیات میانی درگیر در فرآیند پیچیده تولید انرژی را بررسی می‌کنند که با اتصال توالی پروتئین‌ها و آنزیم‌ها، محققان بازده انرژی را بهبود بخشیده اند. یکی از مهم‌ترین چالش‌های باقی‌مانده در تلاش برای بازسازی اندامک‌های تولید انرژی، امکان خودسازگاری در محیط‌های متغیر برای حفظ عرضه پایدار ATP است. مطالعات آینده باید چگونگی بهبود این ویژگی محدود کننده را قبل از اینکه سلول‌های مصنوعی خودپایدار شوند، بررسی کنند.

نویسندگان بر این باورند که ایجاد سلول‌های مصنوعی با روش‌های واقعی بیولوژیکی تولید انرژی که فرآیندهای طبیعی را تقلید می‌کنند، مهم است. تکثیر کل سلول می‌تواند به بیومواد آینده منجر شود و بینشی را نسبت به گذشته ارائه دهد.

پایان مطلب/.