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Forscher untersuchen die Vorstufe künstlicher Zellen

Stoffwechsel im Öltropfen?

| Redakteur: Christian Lüttmann

Zellen aus Wasser in Öl: möglich durch Mikrofluidiktechnik (der Balken entspricht 100 Mikrometern)
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Zellen aus Wasser in Öl: möglich durch Mikrofluidiktechnik (der Balken entspricht 100 Mikrometern) (Bild: Nature Communications 2018)

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Das Geheimnis des Lebens könnte in der Entstehung der Zellen verborgen liegen. Ein internationales Team aus dem Fachbereich der synthetischen Biologie hat nun künstliche Zellen modelliert – aus winzigen Öltröpfchen. Ihre Schöpfung statteten sie mit einem einfachen Stoffwechsel aus und fütterten sie mit spezieller Nahrung. Die Forschung soll zeigen, welche Bausteine für die Entstehung von Leben tatsächlich essenziell sind.

Magdeburg – Was ist die Minimalausstattung für eine lebende Zelle? Und wie hat das Leben auf der Erde begonnen? Diese Fragen sollen Zellen beantworten, die sich im Reagenzglas bilden: Den Vorläufer einer solchen künstlichen Zelle präsentieren nun Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg, des Forschungszentrum Paul Pascal des Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung und der Universität Bordeaux. Es ist ihnen gelungen, in mikroskopisch kleine Tröpfchen die einfache Form eines Stoffwechsels einzubauen: eine chemische Reaktion, die sie durch eine integrierte Energieversorgung aufrechterhält.

Die Basis des Lebens

Durch Essen, Trinken und Atmen vermeide ein lebendiger Organismus seinen Verfall, gibt der Physiker Erwin Schrödinger in seinem Buch „What is life?“ an. Diese Prozesse kennen wir als Stoffwechsel oder Metabolismus. Die dabei ablaufenden biochemischen Vorgänge dienen Lebewesen dazu, Energie zu gewinnen und Stoffe auf- oder abzubauen. Auch für einzelne Zellen ist der Stoffwechsel entscheidend für ihre Lebens- und Überlebensfähigkeit – egal ob sie als Einzeller vorkommen oder innerhalb eines größeren Organismus organisiert sind.

Den Zellen einen Raum geben

Möchten Forscher also Zellen erzeugen, müssen sie unter anderem einen Metabolismus in einen von der Umwelt abgegrenzten Raum integrieren. Genau das haben Wissenschaftler der synthetischen Biologie um Prof. Jean-Christophe Baret vom Forschungszentrum Paul Pascal und Prof. Kai Sundmacher vom MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme nun in einfacher Form geschafft.

Ihre künstlichen Zellen bestanden aus nichts anderem als mikroskopisch kleinen Wassertropfen, die sich in Öl formten. Sie dienten den Forschern als winzige, von ihrer Umgebung abgegrenzte Einheiten – ähnlich wie Zellen, die durch eine Membran von ihrer Umwelt getrennt sind.

Ins Innere dieser Tropfen fügten die Forscher verschiedene molekulare Komponenten, die wiederum eine Stoffwechselreaktion simulierten. Zugegebenermaßen scheint eine solche vereinfachte synthetische Zelle noch weit entfernt von dem natürlichen Pendant. Fest steht aber: „Derartige minimale Systeme sind aus technologischer Sicht relevante Modelle, um darauf aufbauend komplexere, naturähnlichere Systeme zu entwickeln“, sagt Sundmacher.

Frei von unnötigem Ballast

Laut Ivan Ivanov, Ingenieur und Forscher am MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme, wollten er und seine Kollegen ohnehin zunächst nur ein minimales System entwerfen, das die grundlegenden Eigenschaften der Zelle aufweise. Nur so lasse sich herausfinden, welche Bausteine am Ende tatsächlich ausschlaggebend für das Leben seien. Schritt für Schritt bauten die Forscher deshalb aus molekularen Komponenten einen Modellstoffwechsel auf. Diese Vorgehensweise heißt im Fachjargon Bottom-up-Prinzip – also aus kleinen einfachen Grundbausteinen etwas komplexeres, größeres schaffen.

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