Lass uns eine Zelle bauen

Dresdner Forscher entwickeln ein minimales synthetisches Zellsystem zur Untersuchung grundlegender Zellfunktionen.

Synthetic cells with compartments. Magenta shows the lipid membrane, cyan shows the fluorescently tagged membrane-free sub-compartments. Copyright: Love et al. / MPI-CBG

Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens. Ihr Inneres bietet eine ideale Umgebung, in der die elementaren Moleküle des Lebens interagieren können, um chemische Reaktionen stattfinden zu lassen und somit Leben ermöglichen. Die biologische Zelle ist jedoch sehr komplex, sodass es schwierig ist, zu verstehen, was in ihr vorgeht. Eine Möglichkeit, dieses biologische Problem zu lösen, ist die Entwicklung einer synthetischen minimalen Zelle, die im Vergleich zu biologischen Zellen ein einfacheres System darstellt. Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) in Potsdam haben solch eine technische Herausforderung gemeistert, indem sie eine minimal komplexe synthetische Zelle gebaut haben, in der grundlegende biochemische Reaktionen ablaufen können und die auf Veränderungen in der Umwelt reagieren kann. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker ‚Angewandte Chemie, internationale Ausgabe‘, veröffentlicht.

Zellen als Grundbausteine des Lebens bieten ein spezifisches und dynamisches Umfeld, in dem sich Moleküle organisieren und Reaktionen ablaufen, die zur Erhaltung des Lebens notwendig sind. Im Inneren der Zelle befinden sich unzählige Moleküle wie DNA, Proteine, Zucker und Fette (Lipide), die auf unterschiedliche Weise zusammenfinden müssen. Um zu verstehen, wie Zellen all diese Bestandteile organisieren, um in einer komplexen Umgebung zu funktionieren, haben Wissenschaftler synthetische Zellen mit weniger Bestandteilen gebaut und damit einfache Systeme entwickelt, die bestimmte zelluläre Prozesse nachahmen. Dieses Forschungsfeld der synthetischen Biologie verbindet Technik und Biologie miteinander und verwendet Bestandteile des natürlichen biologischen Systems und vereinfacht diese.

Trotz vieler Erfolge in der synthetischen Biologie ist der Aufbau dynamischer Systeme immer noch eine große Herausforderung. Das im Rahmen des MaxSynBio-Netzwerks geförderte Forschungsteam, bestehend aus der MPI-CBG-Forschungsgruppenleiterin Dora Tang und den MPIKG-Forschungsgruppenleitern Rumiana Dimova und Tom Robinson, hat diese technische Schwierigkeit nun gemeistert und eine synthetische Zelle gebaut, die auf Veränderungen in der Umwelt reagieren kann. Die Forscher konstruierten ein Kompartiment mit einer Membran, welches im Inneren ein membranfreies Kompartiment enthält. Diese Unterkompartimente können sich in Abhängigkeit von den Veränderungen in der Umwelt zusammenfinden und auch wieder zerlegen. Die größte Herausforderung bei diesem Projekt war es, ein Kompartiment aus einzelnen Molekülen zu schaffen, die in der synthetischen Zelle schwimmen. Diese Zellen wurden durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht. Celina Love, die Erstautorin der Studie, erklärt: “So wie wir mit unseren Geschmacksnerven salzig oder sauer schmecken können, so können auch Komponenten im Inneren einer Zelle auf den Säuregehalt (pH-Wert) einer Umgebung reagieren. Wir haben herausgefunden, dass wir durch die Veränderung des pH-Wertes der Umgebung das Verhalten der aufeinandertreffenden Moleküle und ihre Fähigkeit, membranfreie Kompartimente zu bilden, beeinflussen können. Es war besonders spannend zu beobachten, wie chemische Reaktionen durch Veränderung des Säuregrades innerhalb der synthetischen Zelle an- und ausgeschaltet werden können.“

Dora Tang, die Leiterin der Studie, gibt einen Ausblick: „Unsere Arbeit ist ein großer Schritt nach vorn, um komplexere synthetische Zellen zu bauen, die biologisches Verhalten imitieren können.“ Sie ergänzt: „Dieses regulierbare synthetische System eröffnet spannende Möglichkeiten, um grundlegende Fragen der Biologie zu beantworten, wie zum Beispiel Zellen viele und verschiedene Signalen aus der Umwelt aufnehmen können, um grundlegende zelluläre Funktionen wie den Stoffwechsel in Gang zu setzen und zu regulieren.“

Originalpublikation

[Translate to Deutsch:] Celina Love, Jan Steinkühler, David T. Gonzales, Naresh Yandrapalli, Tom Robinson, Rumiana Dimova, T.‐Y. Dora Tang: “Reversible pH responsive coacervate formation in lipid vesicles activates dormant enzymatic reactions” Angewandte Chemie, International Edition, 14. Januar, 2020. doi.org/10.1002/anie.201914893