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Forscher untersuchen die Vorstufe künstlicher Zellen

Stoffwechsel im Öltropfen?

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Für Ingenieure ist der Bottom-up-Ansatz Alltag – für synthetische Biologen jedoch nicht. Sie arbeiten in der Regel nach dem Top-Down-Prinzip. Sie starten mit einem echten Organismus, den sie mittels gentechnischer Methoden verändern und so mit neuen Funktionen und Eigenschaften ausstatten. „Im genetischen Material von Zellen sind aber viele Dinge redundant oder gar unnötig“, sagt Ivanov und weist damit auf die Problematik von Top-down-Ansätzen in der Mikrobiologie hin. Denn die Wissenschaftler erfahren dabei nicht, welche Merkmale für die Entstehung von Leben tatsächlich notwendig sind.

Wie man Zellmodelle aus Öl macht

Neben dem Stoffwechsel ist die Abgrenzung von der Umwelt unabdingbar für lebende Zellen: „Jede Zelle hat gewissermaßen eine Wand, die sie von ihrer Umgebung trennt“, erklärt Ivanov. Solche eigenständigen Kompartimente, wie Fachleute es nennen, lassen sich entweder durch Membranen oder, wie in der aktuellen Arbeit, durch Tropfen schaffen.

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Die Forscher nutzten die so genannte Mikrofluidiktechnik, mit der sich die Mikrotropfen in großer Anzahl herstellen und rasch analysieren lassen. Sowohl Größe als auch Zusammensetzung konnten die Wissenschaftler dabei nach Gusto fein justieren. Mithilfe von Mikrofluidikmodulen befüllten sie die Kompartimente anschließend mit Glucosephosphat, die gewissermaßen als Nahrung für die künstlichen Zellen diente. Zudem fügten sie den Kofaktor NAD+ hinzu, mit dessen Hilfe die Zellnahrung unter Freisetzung chemischer Energie in andere Produkte umgewandelt werden kann – ganz ähnlich zu dem Verstoffwechseln von Zucker zur Energiegewinnung in lebenden Zellen.

Fütterung per Mikroinjektion

Der Kofaktor NAD+ spielt auch im Metabolismus lebender Zellen eine Rolle. Er nimmt im Laufe der Stoffwechselreaktion Wasserstoff auf, sodass es in NADH umgewandelt wird. Damit die Reaktion in der künstlichen Zelle tatsächlich aufrechterhalten bleibt, fügten die Wissenschaftler ein Modul hinzu, das NAD+ regeneriert, indem es NADH wieder zu NAD+ oxidiert. So bleibt der Kofaktor stets in seiner notwendigen Form verfügbar.

War das Glucosephosphat komplett verbraucht, gingen die Zellen gewissermaßen in einen Schlafmodus über. Dieser Schlaf ließ sich aber durch erneute Fütterung mit ihrer Nahrung beenden– wiederum per Mikroinjektion.

Zukunftsmusik: Tröpfchenzellen nach Darwinscher Theorie

Projektleiter Baret zufolge weist der Modellmetabolismus alle grundlegenden Eigenschaften eines natürlichen Stoffwechsels auf und bietet eine Plattform für weitere Untersuchungen: „Mit der Mikrofluidiktechnik können wir kontrollierte Mengen solcher elementaren Bausteine erzeugen und sie mit noch komplexeren Funktionen ausstatten. Damit ließen sich etwa Hypothesen über die Entstehung von Leben aus bekannten und kontrollierten Bestandteilen testen.“ Um tatsächlich echte Zellen ausreichend realitätsnah nachzuahmen, bräuchten solche Systeme unter anderem noch die Fähigkeit, sich vermehren zu können, und einen Mechanismus zur Speicherung ihres Bauplans – Komponenten, die die Wissenschaftler sich noch vornehmen müssen.

Aber auch ohne diese Eigenschaften ist es für den Erstautor der Publikation Thomas Beneyton denkbar, dass sich solche künstlichen Systeme ähnlich wie biologische verhalten: Man könne etwa Tropfen mit unterschiedlicher Fitness herstellen – also mit unterschiedlichem Appetit oder mit einer variablen Ausgangsmenge an Nahrung – und Nahrungsaustausch unter den Zellen zulassen. So ließe sich eine Konkurrenzsituation herstellen, wie man sie auch unter echten Zellen beobachtet. Derartige Tröpfchenzellen würden sich dann wohl ganz im Sinne der Darwinschen Theorie verhalten.

Originalpublikation: Thomas Beneyton, Dorothee Krafft, Claudia Bednarz, Christin Kleineberg, Christian Woelfer, Ivan Ivanov, Tanja Vidakovic-Koch, Kai Sundmacher und Jean-Christophe Baret: Out-of-equilibrium microcompartments for the bottom-up integration of metabolic functions. Nature Communications, 19 June 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04825-1

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