Ein mikroskopisch kleiner Wassertropfen, der von einer Fettmembran umgeben ist und in dem sich chemische Substanzen sowie DNA-Abschnitte befinden, die lediglich 36 Gene kodieren. Daraus besteht die neue Zelle, die zwar noch nicht als lebendig bezeichnet werden kann, aber unbestreitbar den bislang größten Fortschritt bei der Erzeugung einer lebenden Zelle aus dem Nichts darstellt: . In ihrer vor wenigen Tagen online veröffentlichten Studie zeigen Kate Adamala, Biologin für synthetische Biologie an der Universität von Minnesota, und ihr Team, dass ihre Entwicklung namens „SpudCell“ in der Lage ist, sich mit anderen Tröpfchen zu vereinigen, zu wachsen, ihr Genom zu replizieren und sich zu teilen. Die Forscher betonen jedoch, dass SpudCell noch keine lebende Zelle ist, da sie sich nicht über mehrere Generationen hinweg teilen und auch keine evolutionären Veränderungen durchlaufen kann.
Forscher träumen schon seit langem davon, Zellen im Labor zu erzeugen – einerseits, um die Grundlagen des Lebens zu verstehen, andererseits, um Zellen herzustellen, die sich leichter so modifizieren lassen, dass sie bestimmte Verbindungen produzieren können. Die meisten Teams haben sich jedoch bescheidenere Ziele gesetzt und versucht, einzelne Zellfunktionen wie beispielsweise die Nahrungsaufnahme oder das Wachstum nachzuahmen. Die Abstimmung mehrerer Funktionen stellt eine enorme Herausforderung dar, da diese in der Regel unter unterschiedlichen Bedingungen am besten funktionieren, beispielsweise bei einer bestimmten Menge an Magnesium oder einem bestimmten Säuregrad. „Die Integration all dieser Funktionen in eine einzige synthetische Zelle ist eine Meisterleistung, auf die die Wissenschaft schon lange gewartet hat“ – sagt Job Boekhoven, Systemchemiker an der Technischen Universität München, betont jedoch, dass die Aussagen der neuen Studie noch einer fachlichen Begutachtung unterzogen werden müssen.
Forscher, die versuchen, synthetische Zellen zu bauen, verwenden entweder Moleküle, die für bereits existierendes Leben notwendig sind – wie beispielsweise DNA und Fettsäuren –, oder sie entwickeln vollständig synthetische Bausteine. Die Entwickler von SpudCell verfolgen den erstgenannten Ansatz und stützen sich dabei auf das vor mehreren Jahrzehnten entwickelte PURE-System: Dies ist eine Art Grundausstattung aus Biomolekülen – darunter Proteine und Ribosomen –, die für die Transkription von DNA in mRNA sowie für die Translation von RNA in Proteine erforderlich sind. Andere Forscher haben diese Bausteine in Liposomen – im Wesentlichen von Fettsäuren umgebene Wassertröpfchen – eingebracht, um Systeme zu schaffen, die einige grundlegende Funktionen der Zelle erfüllen, wie beispielsweise die Produktion von Proteinen. Doch solche Tröpfchen waren nie in der Lage, sich über ihr Genom zu ernähren und zu teilen.
Durch clevere technische Lösungen hat Adamalas Forschungsgruppe die SpudCell-Zellen so konzipiert, dass sie auch dazu in der Lage sind. Ein Genom, das 50-mal kleiner ist als das eines typischen Bakteriums, wurde mit Genen ausgestattet, die es den SpudCell ermöglichen, spezielle molekulare Marker zu produzieren und diese an der Oberfläche des Tröpfchens zu exprimieren. Diese dienen als Anheftungspunkte für die Nährstoffvesikel – das sind kleinere Liposomen, die Enzyme und andere für die Zelltröpfchen notwendige Moleküle enthalten. Diese „Nährstoffe“ ermöglichen das Wachstum der SpudCell-Zellen und die Replikation ihres Genoms.
Im zweiten Schritt haben die Forscher einen Mechanismus zur Teilung der Tröpfchen in das SpudCell-Genom kodiert: einen anderen Typ von Oberflächenmarker, das sogenannte FLAG, das an ein großes Molekül namens Streptavidin binden kann. Diese Bindung erzeugt eine abstoßende Kraft zwischen den Oberflächenmolekülen, und wenn dem Nährmedium ausreichend Streptavidin zugesetzt wird, spaltet diese Kraft den Tropfen im Grunde genommen in zwei Teile. „Einfacher könnte der Prozess gar nicht sein“, sagt Adamala.
Adamala räumt ein, dass der Teilungsprozess sehr ineffizient ist. Um mehrere Teilungszyklen zu erreichen, mussten die Forscher die SpudCell-Zellen mechanisch trennen, indem sie sie durch eine mit winzigen Löchern versehene Membran drückten. Nachdem sie dies mehrmals durchgeführt hatten, tauchte ein weiteres Problem auf: Da sich die replizierten Genome während der Teilung nicht richtig aufteilen, trugen nach fünf Teilungszyklen nur noch 30 % der SpudCell-Zellen das vollständige Genom.
Mit der Zeit zerfällt auch der Ribosomenkomplex, der für die Proteinproduktion zuständig ist, in den SpudCells, und das System hat keine Möglichkeit, neue Ribosomen zu bilden oder die alten zu entfernen. Dennoch sei die SpudCell ein wichtiger Meilenstein, sagt Drew Endy, Synthetischer Biologe an der Stanford University. Es beweise, dass man, wenn man vier oder fünf verschiedene Elemente aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Erkenntnissen zusammenfüge, erreichen könne, dass dieses Gebilde wachse und sich teile, so der Experte.
Da die Bestandteile von SpudCell gut bekannt sind, werden Biologen laut Adamala in der Lage sein, das System schrittweise weiterzuentwickeln. „Es ist nicht besonders effizient, aber wir wissen genau, wie es aufgebaut ist“, sagt er. Im Gegensatz dazu, fügt er hinzu, werden synthetische Biologen, die lebende Zellen für andere Zwecke modifizieren wollen, durch fehlendes Wissen behindert. Während seine Zellen dem ersten Flugzeug der Gebrüder Wright ähneln, seien Forscher, die mit echten Zellen arbeiten, „wie ein Ingenieur, dem man einen kompletten Dreamliner ohne Baupläne übergibt“.
Obwohl die SpudCells noch nicht über die für Leben charakteristische Evolutionsfähigkeit verfügen, versucht Adamala in einem seiner Experimente auch diesen Weg einzuschlagen: Er hat in einzelne SpudCell-Zellen eine genetische Mutation eingebracht, die dazu führt, dass diese mehr Oberflächenmarker für die Nährstoffvesikel produzieren, wodurch sie mehr Nährstoffe aufnehmen und schneller wachsen. Und tatsächlich übertrafen die mutierten SpudCells die nicht mutierten Varianten: Nach fünf Wachstums- und Teilungszyklen trugen etwa 60 % der Genome die Mutation. Das ist natürlich keine natürliche darwinistische Evolution, da die Forscher die Mutation eingebaut haben und die Zellen mechanisch zur Teilung zwingen mussten, aber es ist ein großer Schritt in Richtung einer Nachahmung dieses Prozesses.
