什么在人造聚合物膜中起重要作用?

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马格德堡的马克斯·普朗克复杂技术系统动力学研究所,波茨坦的马克斯·普朗克胶体和界面研究所以及哈雷大学的研究人员朝着人工合成单元迈出了一步。他们利用细菌中发现的一种酶来组装呼吸链的一个关键部分,这是许多细胞中能量代谢所必需的,并使其在人造聚合物膜中起作用。

创造人造细胞是生物学和工程学的伟大愿景之一。一些雄心勃勃的有远见的人从根本上重建了自然界中已经存在的细胞。其他人,例如马克斯·普朗克研究人员,走的路更艰难。马格德堡马克斯·普朗克研究所所长Kai Sundmacher工作组的科学家Ivan Ivanov说:“我们希望通过逐步将各个组成部分与新陈代谢结合在一起,从而从头开始构建新细胞。”

在最近的一项研究中,研究人员寻找了一种具有细胞膜特性并且还可以在能量代谢中发挥作用的人造聚合物。由磷脂组成的天然细胞膜将细胞内部与环境隔开。它们既具有亲水性又具有亲脂性,并且是必要的生化反应的阶段,生化反应可为细胞产生能量。“受活生物体能量代谢的自然过程的启发,我们从生物和化学组成部分设计了定制的人造能量细胞器 马克斯·普朗克复杂技术系统动力学研究所的TanjaVidaković-Koch解释说,电池中几乎所有的化学反应都是由ATP推动的。

人造膜中的质子泵

研究人员现在发现了一种可商购的聚合物(表面活性剂PDMS-g-PEO),它代替了天然的磷脂,起着膜的作用,因此可以形成囊泡。马克斯·普朗克胶体与界面研究所的生物膜专家Rumiana Dimova解释说,这样的囊泡“是构建人工细胞器和细胞的有用模型。” 一个主要障碍是将功能性蛋白质(包括那些参与能量代谢的蛋白质)整合到聚合物膜中。

Max Planck科学家团队现已成功地将质子泵bo3氧化酶整合到了合成膜中。该研究的合著者妮卡·马鲁希奇(NikaMarušič)说,这种酶属于许多细菌的呼吸链,“而且在聚合物膜中也发挥着很好的作用,甚至比天然脂质膜中的作用还要好。

氧化酶还还原人造膜中的氧气,因此构成细胞呼吸的最后一步。正如研究人员所表明的那样,它将质子泵入囊泡内部,从而为生产ATP创造了先决条件。

质子不可渗透

人造膜也几乎不渗透质子,但对有害的氧自由基却具有足够的流动性和高度稳定性(比其天然对应物更稳定)。聚合物膜的抗弯刚度也类似于天然膜。这很重要,因为活细胞不断变形。因此,弯曲模量一定不能太低,以使泡孔能够保持其形状。但是,它也不应该太高。否则,复杂的膜蛋白的功能将受到损害。

简单地说:聚合物的化学性质为人造线粒体中的能量代谢提供了极好的条件。伊万诺夫认为,尽管如此,仍然存在一些障碍:“目前尚不清楚这种聚合物膜如何复制。” 对于人工细胞能够繁殖,这肯定是必需的。因此,科学家们还有很多工作要做。

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