(16.07.2021) Der Bau einer künstlichen Zelle aus unbelebten Bausteinen blieb lange philosophische Spekulation – zu komplex erschien das Experiment. Heute bieten ausgefeilte Werkzeuge neue Möglichkeiten. Gelingt es, ein lebendiges „Modellsystem“ zu konstruieren?
Manchmal möchte man meinen, dass Leben aus dem Nichts entstehen könne: Wenn Blumen aus Felsspalten hervorwachsen oder das vergessene Pausenbrot unter Pilzbefall leidet. Auch wenn die Menschheit lange von der spontanen Entstehung von Leben überzeugt war, zeigten Experimente unter sterilen Bedingungen, dass dem nicht so ist. „Omnis cellula e cellula“, jede lebende Zelle stammt von einer bereits existierenden lebenden Zelle ab – „Zellteilung“ lautet das Stichwort [1].
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Umso bedeutungsvoller erscheint die Entstehung von Leben auf der Erde, die belegt, dass es zumindest eine Ausnahme gegeben haben muss. Ist es also doch möglich, eine lebendige Zelle aus toter Materie von Grund auf neu zusammenzusetzen? Mit dieser kühnen Vision beschäftigt sich die synthetische Biologie.
Für den Bau einer künstlichen Zelle erscheint der Blick in den Baukasten der Natur naheliegend. Dort finden sich tausende Bauteile aus Eiweißen, Zuckern, DNA und Fetten. Sie ergeben die kleinste Einheit des Lebens, die Zelle. Der Bottom-up-Ansatz in der synthetischen Biologie versucht, die wichtigsten Bauteile zu identifizieren und zu isolieren, um sie anschließend in Zell-ähnlichen Kompartimenten wieder zusammenzusetzen. Das Experiment glückt zum Teil: Künstliche Zellen können sich teilen, fortbewegen oder auf Reize aus der Umgebung reagieren – aber eben nicht alles auf einmal [2]. Der Zusammenbau aller nötigen Funktionseinheiten erweist sich als enorm schwierig. Oft sind Proteinbauteile nicht miteinander kompatibel, jedes zusätzliche Bauteil steigert die Komplexität. Leben, wie wir es kennen, entsteht aus dem komplexen Zusammenspiel funktionaler Bauteile. Erst hierdurch ergeben sich emergente Eigenschaften, die lebendige von nicht-lebendiger Materie oder eben Biologie von Chemie und Physik unterscheiden. Eine Zelle ist nun mal mehr als die Summe ihrer Teile. Für den Bau einer künstlichen Zelle ist Systemintegration folglich genauso wichtig wie die Realisierung neuer Funktionen einer Zelle. Der Weg hin zu einer künstlichen Zelle, die alle Eigenschaften ihres natürlichen Vorbilds vereint und somit ihren Namen verdient, ist noch weit. Vielleicht lohnt die Suche nach Abkürzungen?
Auch ein Strategiewechsel könnte helfen – und die Einsicht, dass eine künstliche Zelle nicht unbedingt eine möglichst perfekte Kopie der Natur sein muss. Flugzeuge haben erst fliegen gelernt, als sie aufhörten mit den Flügeln zu schlagen. Abstraktion kann also eine Abkürzung hin zur gewünschten Funktion sein. Anstatt die Bauteile der Natur akribisch genau zusammenzusetzen, könnten wir mit eigens entworfenen Bauteilen arbeiten und den Fokus auf deren Funktion legen.
Doch wie lassen sich solche Bauteile für künstliche Zellen schaffen? Es bedarf Präzisionswerkzeugen, die auf der Nano- und Mikroskala operieren. Solche Werkzeuge wurden in den letzten Jahrzehnten in den unterschiedlichsten Bereichen entwickelt und es lohnt sich, nach neuen technologischen Entwicklungen Ausschau zu halten. Als besonders hilfreich hat sich die DNA-Nanotechnologie erwiesen: Anstatt zur Speicherung von Erbinformation lässt sich DNA auch als Baumaterial verwenden [3]. Neben statischen, zum Teil fast künstlerischen Nanostrukturen sind auch dynamische Werkzeuge realisierbar. Sie können die Funktion von Proteinen nachahmen und werden bereits in künstlichen Zellen eingesetzt – zum Beispiel als Membranporen, als Verknüpfung zwischen künstlichen Zellen oder als artifizielles Zytoskelett [2].
DNA-basierte Prototypen solcher Komponenten sind schnell entworfen: Mithilfe von Computer-gestütztem Design wird erst die gewünschte dreidimensionale Form festgelegt. Bei der sogenannten DNA-Origami-Methode dient ein langer DNA-Einzelstrang als Gerüst mit fester Sequenz. Kurze DNA-Stücke werden so geplant und hergestellt, dass sie an bestimmten Stellen an den langen Strang hybridisieren können und diesen durch die Bindung in die gewünschte Form falten [4]. So lassen sich problemlos Milliarden Kopien der gewünschten Strukturen herstellen. Proteine entsprechend zu designen, wäre (noch!) um ein Vielfaches schwieriger.
Bei der Integration der Bauteile helfen unter anderem mikrofluidische Chips. Mit ihrer Hilfe können Zell-ähnliche Kompartimente erzeugt und Komponenten darin eingeschlossen werden. Die unterschiedlichsten Module stehen bereit, um künstliche Zellen mit hohem Durchsatz fast wie am Fließband zu fertigen: In der ersten Einheit entsteht das Kompartiment, in das im nächsten Schritt Komponenten injiziert werden können. Dabei wächst das Kompartiment und kann anschließend auf dem Chip geteilt werden, um einen primitiven, wenn auch nicht-autonomen Zellzyklus nachzuahmen [2].
Mit diesen und anderen Werkzeugen in den Händen rückt die Definition der Systemanforderungen in den Fokus. Welche Funktionen machen eine lebendige Zelle aus, welche davon sollte ein Nachbau aufweisen? Eine eindeutige Definition von Leben gibt es nicht. Es lassen sich Eigenschaften auflisten, wie die Vermehrung durch Zellteilung, der Stoffwechsel und Energieaustausch, die Reaktion auf Reize, die Bewegung der Zelle selbst, aber auch die Bewegung von Komponenten innerhalb der Zelle und deren strukturierter Aufbau, dazu Wachstum und Entwicklung – und, nicht zu vergessen, der Zelltod. Nicht immer sind diese Eigenschaften eindeutig erfüllt, sodass oft dafür plädiert wird, den Grad der Lebendigkeit zu betrachten. So genügt etwa ein Virus nicht all diesen Kriterien, es ist aber wesentlich näher am „Lebendig-sein“ als beispielsweise ein Kieselstein.
Eine abstraktere, aber recht umfassende Definition stammt von der NASA: Leben ist Selbstreplikation mit Evolution. Nachdem Evolution nur an Merkmalen angreifen kann, braucht eine künstliche Zelle also einen Mechanismus, der genetische Information mit gewissen Merkmalen verknüpft. In der Zelle geschieht dies durch die Übersetzung der Erbinformation in Proteine. In künstlichen Zellen wäre prinzipiell auch ein anderer molekularer Mechanismus denkbar. Wichtig ist nur, dass die Information an Tochtergenerationen weitergegeben werden kann, wobei Kopierfehler auftreten und ebenfalls weitergegeben werden – sogenannte Mutationen. Viele mögen von Nachteil sein, einige erhöhen die Fitness, sodass Zellen mit erwünschten Eigenschaften selektiert werden. So könnte ein lebendiges Modellsystem aussehen – unabhängig davon, ob natürliche oder künstliche Bauteile verwendet werden.
Und wann ist es so weit? Auf eine lebendige künstliche Zelle werden wir sicher noch einige Jahre warten müssen. Doch das Warten lohnt, denn bereits jetzt sind diese primitiven künstlichen Zellen als gut charakterisierte Modellsysteme nützlich, um etwa neue Werkzeuge für Biologie und Medizin zu testen. So werden zum Beispiel die für künstliche Zellen entwickelten DNA-Nanostrukturen auch in der Zellbiologie verwendet [5].
Auch die Technologieentwicklung, zum Beispiel bei Mikrofluidik oder DNA-Nanotechnologie, wird stetig vorangetrieben. Dies beflügelt wiederum andere Forschungs-Disziplinen, wie zahlreiche Patente belegen. Deshalb verwundert es kaum, dass der Bau einer künstlichen Zelle in verschiedenen internationalen Forschungsverbünden und Graduiertenschulen verfolgt wird, zum Beispiel von MaxSynBio, Build-a-Cell, BaSyC oder der Max Planck School Matter to Life [6]. Wenn es so weit ist, sind wir gespannt auf künstliche Zellen, die spätestens dann auch von künstlichen Zellen abstammen!
[1] R. Virchow, Die Cellularpathologie in ihrer Begründung und in ihrer Auswirkung auf die physiologische und pathologische Gewebelehre, Verlag A. Hirschwald, Berlin, 1858.
[2] Göpfrich, K., Platzman, I., & Spatz, J. P. (2018). Mastering Complexity: Towards Bottom-up Construction of Multifunctional Eukaryotic Synthetic Cells. Trends in Biotechnology, Vol. 36: 938–51.
[3] Seeman, N. C., & Kallenbach, N. R. (1983). Design of immobile nucleic acid junctions. Biophysical Journal, 44(2): 201–209.
[4] Rothemund, P. W. K. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440(7082): 297–302.
[5] Schoenit A, Cavalcanti-Adam EA, Göpfrich K. Functionalization of Cellular Membranes with DNA Nanotechnology. Trends Biotechnol. 2021 Mar 12:S0167-7799(21)00034-2.
[6] https://mattertolife.maxplanckschools.org/2867/en