【ハーバード大】人工細胞に似た新生成物を光合成で代謝反応させることに成功する

・研究者は代謝反応を再現する人工光合成のエンジンとなるものを開発しています。

・この研究は、生物界と植物界の最高のものを組み合わせ、細胞のエネルギー生産をコントロールしています。

人工細胞を生成するには2つのアプローチがあります。

1,   生物の遺伝物質（ゲノム）を再設計します。
2,   生細胞機能を模倣した細胞に似た生成物をゼロから構築します。

2は、簡単なことではありません。細胞の複雑な動きをまねた生物学的反応、化学的反応を開発する必要があります。近年、ソガン大学とハーバード大学の研究者は、光合成で炭素固定、エネルギーハーベスティング、細胞骨格形成などの代謝反応がある細胞構造を生成しました。

この研究は、本物の細胞と同じ働きをする、細胞に似た生成物の複雑調節ネットワークを作り出したことになります。この合成成分を開発するため、科学者たちは動植物界の特殊な化合物から光合成オルガネラ（細胞内で特定機能の働きをする小さな細胞構造）を操作しました。

1つはバクテリアから、もう1つは植物からのタンパク質フォトコンバーターが選ばれました。これらが細胞膜を横切る勾配を作り出し特定の反応を引き起こします。

光合成人工オルガネラ|画像クレジット：Disease BiophysicsGroup/ハーバード大学

その仕組みは？

研究者たちは、赤と緑の2つの異なる光の波長に敏感な光変換器を作成しました。脂質膜内にタンパク質と酵素を沈め、アデノシン三リン酸（ATP）を生成します。これはあらゆる生細胞に見られるエネルギー運搬分子です。

膜を赤色光にさらすと、光合成化学反応が起こり、最終的にATPが生成されます。薄い膜が緑色の光にさらされると、反応は停止します。

画像出典：ハーバード大学

上の画像は、アクチン産生の流れを表しています。赤色光がオルガネラ内で水素イオンをトリガーし、ATPの合成を加速させます。緑色光が陽子を枯渇させている間は、ATPの生成が停止します。

このようにして、科学者はエネルギー生産を手動でオン/オフすることに成功しました。これにより、組織の典型的な構成要素、アクチン重合など、多くの反応を制御することができます。分析モデルと実験結果の両方で、人工オルガネラによるATPの合成がアクチンフィラメント成長の主なプロセスがわかりました。

この研究が成功した理由は何ですか？

化学的プロセスの中でATPを生成されたのはこれが初めてではありませんが、以前は一度に1つのATPを生成することに限定されていました。

新しい研究では、生物界と植物界の最高のもの同士を組み合わせ細胞のエネルギー生産を微調整しています。個別のタンパク質や、これらの細胞同士を完全に操作しました。

こうして科学者は細胞膜の構造を調節し、細胞質の流動性を操作することができるようになりました。このボトムアップメカニズムを利用して、他の人工細胞小器官、たとえば、遺伝子複製の核のようなシステムやタンパク質代謝を行う小胞体を開発することができます。