Onderzoekers bouwen energiecentrale voor synthetische cel

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben synthetische blaasjes gemaakt waarin ATP, de belangrijkste energiebron van cellen, wordt geproduceerd. De blaasjes gebruiken de energie om hun volume en de concentratie ionen (ionsterkte) constant te houden. Dit stofwisselingsnetwerk moet uiteindelijk energie produceren in synthetische cellen, maar is nu al bruikbaar in onderzoek naar ATP-afhankelijke processen. Het synthetische systeem is beschreven in een artikel dat 18 september verscheen in het tijdschrift Nature Communications.

‘Ons doel is om een synthetische cel te bouwen die zichzelf kan onderhouden, die kan groeien en kan delen’, legt RUG hoogleraar Biochemie Bert Poolman uit. Zijn werk is onderdeel van een landelijk consortium dat in 2017 een zogeheten Zwaartekracht subsidie ontving van NWO om dit ambitieuze doel te bereiken. Verschillende groepen wetenschappers bouwen verschillende modules voor de cel. De groep van Poolman heeft als taak om de energieproductie te verzorgen.

Evenwicht

Alle levende cellen maken ATP aan als energiedrager, maar om die energieproductie in een reageerbuis na te bootsen is niet eenvoudig. ‘In de systemen die er nu zijn zitten alle componenten die nodig zijn voor de reactie samen in een blaasje. Maar na ongeveer een half uur bereikt die reactie een evenwicht en neemt de productie van ATP af’, legt Poolman uit. ‘Wij willen dat ons systeem niet in evenwicht komt, net als in levende systemen.’

Het kostte drie promovendi in zijn groep bijna vier jaar om dit voor elkaar te krijgen. Een lipide-blaasje werd voorzien van een transporteiwit dat de verbinding arginine kan importeren, en ornithine exporteert. In het blaasje breken enzymen de arginine af tot ornithine. De vrije energie die dat oplevert wordt gebruikt om een fosfaatgroep te koppelen aan ADP, wat ATP oplevert. Daarnaast ontstaan de afvalproducten ammonium en kooldioxide, die door de lipide-membraan van het blaasje naar buiten verdwijnen. ‘De export van de ornithine die in het blaasje ontstaat drijft de import van arginine aan, dat houdt het systeem aan de praat zolang er buiten het blaasje arginine als ‘voedsel’ beschikbaar is’, vertelt Poolman.

Sensor

Om een uit-evenwicht-systeem te krijgen wordt ATP verbruikt voor het in stand houden van de ionsterkte in de blaasjes. Een biologische sensor meet die ionsterkte en activeert, zodra deze te hoog wordt, een transporteiwit dat een verbinding met de naam glycine betaïne importeert. Deze stof vergroot het celvolume wat de ionsterkte verlaagt. ‘Het transporteiwit krijgt energie door het verbruiken van ATP, dus we hebben zowel aanmaak als verbruik van ATP in het blaasje.’

In het langste experiment dat is uitgevoerd bleef het systeem bleef zestien uur draaien. ‘Dat is best lang, sommige bacteriën delen al na twintig minuten’, zegt Poolman. ‘Dus dit systeem moet goed genoeg zijn voor een synthetische cel die iedere paar uur zal delen.’ Uiteindelijk zullen verschillende modules, zoals die voor ATP productie, gecombineerd worden om zo’n synthetische cel te maken. Die zal dan autonoom moeten functioneren en bijvoorbeeld zelf eiwitten maken met behulp va neen synthetisch genoom.

Chromosoom

Het huidige systeem voor ATP productie is nog gebaseerd op de losse biochemische componenten. Maar collega’s van Poolman aan de Wageningen Universiteit & Research zijn druk doende om de genen te verzamelen die nodig zijn voor de productie van de enzymen die het systeem gebruikt. Die zullen ze inbouwen in een kunstmatig chromosoom. Anderen werken aan modules voor de synthese van lipiden of eiwitten, of aan celdeling. De uiteindelijke synthetische cel moet DNA voor al die modules hebben en dat autonoom kunnen gebruiken, net als een levende cel. Maar dan eentje die is van de grond af is opgebouwd en ook nieuwe eigenschappen bezit. Dat zal echter nog heel wat jaren duren. ‘Ondertussen gebruiken we ons ATP producerende systeem al om ATP-afhankelijke processen te bestuderen, en meer te begrijpen over membraantransport’, besluit Poolman.

Referentie: Tjeerd Pols, Hendrik R. Sikkema, Bauke F. Gaastra, Jacopo Frallicciardi, Wojciech M. Śmigiel, Shubham Singh and Bert Poolman: A synthetic metabolic network for physicochemical homeostasis. Nature Communications 18 September 2019