利用生物啟發(fā)的人工細(xì)胞從光中收集能量

科學(xué)家設(shè)計(jì)并連接了兩個不同的人工細(xì)胞，以產(chǎn)生稱為ATP(三磷酸腺苷)的分子。ATP是所有生物用來攜帶和提供能量以運(yùn)行細(xì)胞過程的基本單位。科學(xué)家開發(fā)了一組人造細(xì)胞，當(dāng)它們暴露在光線下時會產(chǎn)生質(zhì)子。他們還開發(fā)了不同的人造細(xì)胞，其中含有一種可以利用這些質(zhì)子生成ATP的酶。然后，團(tuán)隊(duì)將兩種類型的單元連接在一起。

這種人工細(xì)胞設(shè)計(jì)使用了由銀和金制成的細(xì)棒(nanorods)來創(chuàng)建類似于自然界的生物細(xì)胞壁。這些棒與生物細(xì)胞用來制造細(xì)胞壁的脂質(zhì)(例如脂肪和脂肪酸)相反。這些納米棒對光的反應(yīng)可以加快某些蛋白質(zhì)產(chǎn)生質(zhì)子的速度。

制造人造細(xì)胞的最新努力是在膜上填充納米顆粒，然后組裝成膠體膠囊。膜物質(zhì)本身提供的優(yōu)勢包括離子可通過的可調(diào)孔。但是，膜材料也可能影響人工細(xì)胞內(nèi)感興趣的固有過程。

發(fā)表在《Angewandte Chemie國際版》上的這項(xiàng)研究“用于等離子增強(qiáng)化學(xué)滲透梯度生成和ATP合成的輕型門控原代細(xì)胞”旨在加深對這種效應(yīng)的理解。美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心的研究人員使用所謂的等離子體材料(可以以獨(dú)特方式與光相互作用的納米系統(tǒng))為膠體膠囊創(chuàng)建了具有光響應(yīng)能力的人造細(xì)胞。

另外，光門控蛋白用于驅(qū)動光活化合成過程。人造細(xì)胞的膠體中裝有銀-金(Au-Ag)納米棒，它們會自組裝成膠囊。此外，Au-Ag納米棒在某些光照條件下達(dá)到等離子體共振。然后將光活化蛋白細(xì)菌視紫紅質(zhì)附著到膠囊的表面上。

選擇細(xì)菌視紫紅質(zhì)是因?yàn)樗軌蛟诠庹障聦①|(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)捕獲光能，利用該能將質(zhì)子泵送穿過膜，并將質(zhì)子濃度的差異轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

通過將質(zhì)子作為“化學(xué)信號”來觸發(fā)共存人造細(xì)胞群體中ATP生物合成，進(jìn)一步證明了這種設(shè)計(jì)的類細(xì)胞潛力。總體而言，人造細(xì)胞的性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。Au-Ag膠體膠囊的寬等離振子共振提高了光激活蛋白發(fā)生光反應(yīng)的可能性，從而創(chuàng)造了一種新型的光可控合成“原細(xì)胞”。

合成原始電池模型為開發(fā)替代的太陽能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了機(jī)會。