利用生物啟發(fā)的人工細胞從光中收集能量

科學家設(shè)計并連接了兩個不同的人工細胞，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行細胞過程的基本單位。科學家開發(fā)了一組人造細胞，當它們暴露在光線下時會產(chǎn)生質(zhì)子。他們還開發(fā)了不同的人造細胞，其中含有一種可以利用這些質(zhì)子生成ATP的酶。然后，團隊將兩種類型的單元連接在一起。

這種人工細胞設(shè)計使用了由銀和金制成的細棒(nanorods)來創(chuàng)建類似于自然界的生物細胞壁。這些棒與生物細胞用來制造細胞壁的脂質(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胞內(nèi)感興趣的固有過程。

發(fā)表在《Angewandte Chemie國際版》上的這項研究“用于等離子增強化學滲透梯度生成和ATP合成的輕型門控原代細胞”旨在加深對這種效應(yīng)的理解。美國能源部科學辦公室用戶設(shè)施的阿貢國家實驗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)能力的人造細胞。

另外，光門控蛋白用于驅(qū)動光活化合成過程。人造細胞的膠體中裝有銀-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到等離子體共振。然后將光活化蛋白細菌視紫紅質(zhì)附著到膠囊的表面上。

選擇細菌視紫紅質(zhì)是因為它能夠在光照下將質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運。細菌視紫紅質(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)化為化學能。

通過將質(zhì)子作為“化學信號”來觸發(fā)共存人造細胞群體中ATP生物合成，進一步證明了這種設(shè)計的類細胞潛力?？傮w而言，人造細胞的性能符合設(shè)計目標。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“原細胞”。

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