Für die Konstruktion künstlicher Zellen gehen Biowissenschaftler ganz unterschiedliche Wege. Das Ziel ist aber immer das Gleiche: Die artifiziellen Zellen sollen Zell-ähnliche Strukturen aufweisen und typische Eigenschaften lebender, natürlicher Zellen besitzen.
Große Lipid-Vesikel verwenden Forscher häufig als Ausgangsmaterial für die Konstruktion künstlicher Zellen. Die Vesikel füllen sie mit Enzymen und anderen Makromolekülen, die den Protozellen Leben einhauchen sollen. Foto: life
Forscher, die versuchen künstliche Zellen oder Protozellen herzustellen, schauen sich vieles von der Natur ab. Schließlich sollen die verwendeten Zell-Bausteine und synthetischen Materialien ähnliche Eigenschaften aufweisen, wie die entsprechenden Biomoleküle in natürlichen Zellen. Es geht aber bei der Herstellung künstlicher Zellen nicht nur um authentische Bausteine, sondern auch um das Nachbilden natürlichen Verhaltens: Zellen teilen sich, senden Signale aus, reagieren auf ihre Umwelt und sind permanent mit Auf- und Abbauprozessen beschäftigt. Synthetische Zellen müssen also wie „molekulare Roboter“ funktionieren, die die gleichen Aufgaben wie natürliche Zellen erfüllen, aber aus künstlichen, synthetischen Komponenten bestehen.
Gemäß dem Chemoton-Modell des theoretischen Biologen Tibor Ganti, müssen synthetische Zellen die Minimalanforderungen an künstliches Leben erfüllen: Danach benötigen sie ein chemisches Begrenzungs- sowie Informationssystem, einen selbstreplizierenden chemischen Motor (Metabolismus), Wachstum und Vermehrung sowie die Fähigkeit, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.
Als chemisches Begrenzungssystem favorisieren die meisten Zellkonstrukteure eine Lipid-Doppelschicht in Analogie zu semipermeablen Membranen in natürlichen Zellen. Die Lipid-Schicht muss flexibel und dennoch stabil sein sowie den Im- und Export notwendiger Komponenten zulassen.
Schwierig ist es, einzelne Produktionsräume (Subkomparimente) innerhalb einer synthetischen Zelle abzugrenzen. Das ist spätestens dann nötig, wenn nicht-kompatible Enzymaktivitäten aufeinanderstoßen oder zwei Proteine in der künstlichen Zelle zum Beispiel bei völlig unterschiedlichen pH-Werten arbeiten. Kaskadenartige Synthesewege funktionieren am besten in kettenartig hintereinandergeschalteten Subkompartimenten, die sich einzelne Zwischenstufen weiterreichen. Die Größe und Eigenschaft der weiterzureichenden Substanzen diktieren die Beschaffenheit der Subkompartiment-Hülle. Die Forscher experimentieren hier vorzugsweise mit Liposomen und Polymersomen, also Vesikeln aus Fetten oder Polymeren mit unterschiedlicher Dicke und Porengröße. Subkompartimente kommen bisweilen aber auch ganz ohne Begrenzung durch eine Membran aus. Die US-Forscherin Christine Keating verkapselte etwa ein wässriges Zweiphasensystem aus Dextran und Polyethylenglycol in einem Liposom. Die darin eingeschlossenen Makromoleküle „entschieden“ sich je nach Eigenschaft für eine der zwei Phasen, vermischten sich also nicht (Acc. Chem. Res. 45(12): 2114-24).
Kanäle für den gerichteten Transport ausgewählter Moleküle in Subkompartimente einzubauen, ist noch Utopie. Dafür sind die Zellbastler aber schon fleißig dabei, ihre Zellhüllen mit Leben zu füllen. Eine primitive Form synthetischer genetischer Schaltkreisläufe (SGCs) brachten sie zumindest schon in zellfreien Transkription-Translations-Extrakten zum Laufen. Und das nächste Ziel ist auch schon abgesteckt: Schaltkreisläufe mit Feedback-Mechanismen. Noch handelt es sich hierbei jedoch um Hybrid-Systeme, deren künstliche Komponenten nur in Gegenwart natürlicher (Enzym-)Zusätze funktionieren (Chem. Phys.Chem.,10.1002/cphc.201700982).
Die Gruppe um den Protozell-Spezialisten Jan van Hest von der Radboud University in Nijmegen, Holland, hat sich ganz der Kunstzelle verschrieben. Sie entwickelte eine pfiffige Methode, mit der man His-getaggte Proteine kontrolliert und reversibel in einem Vesikel frei schwimmen lassen oder am „Beckenrand“ verankern kann (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 54(33): 9614-17).
Das getaggte Wunschprotein sowie die Alkoholdehydrogenase (ADH) befinden sich hierzu im Vesikel-Lumen, aus dessen Innenwand Nickel-Liganden ragen. Die ADH wandelt extern zugegebenes Isopropanol unter Protonenverbrauch sowie Oxidation von NADH zu NAD+ um. Der dadurch steigende pH-Wert treibt die His-Tags dazu, ihre Liganden aufzusuchen. Die Zugabe von Aceton, quasi als Antagonist, führt über die ADH wieder zu einem saureren Milieu und somit zum Ablösen der His-Tags von den Liganden. Durch erneute Isopropanol-Zugabe geht das Spiel von vorne los. Ein einfaches Ping-Pong-System, das prinzipiell für beliebige Proteine funktioniert.
Für die Produktion von Zellbestandteilen oder deren Transport benötigt die Zelle eine Energiequelle. In natürlichen Zellen ist dies meist ATP. Künstlichen Zellen einfach in großen Mengen ATP zu verabreichen und das System dann „rattern“ zu lassen, funktioniert aber nicht. Die künstlichen Zellen verheizen das ATP so schnell, dass der Energiehaushalt im Nu zusammenbricht. Die Forscher setzen deshalb auf kontinuierliches Zufüttern von Nährstoffen.
Dabei stießen sie jedoch auf ein Problem: In den Zellen reichern sich giftige Nebenprodukte an. Das Giftproblem ist zwar noch ungelöst, inzwischen haben es Wissenschaftler aber geschafft, Polymersomen mit dem richtigen Enzymsatz und Elektronendonor zu bestücken, um NADPH selbst zu regenerieren (J. Mater. Chem. 21(47): 18923-26). Durch Koppeln einer ATP-Synthase an einen Lichtrezeptor, beziehungsweise eine Licht-getriebene Protonenpumpe, könnte man mit Solarenergie also künftig den ATP-Bedarf künstlicher Zellen decken.
Die Frage, ob sich artifizielle Zellen teilen können, ist nüchtern betrachtet eine Sache der Thermodynamik. Wächst eine Kugel, so wird das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis immer größer. Irgendwann ist die Haut unerträglich straff gespannt. Besteht sie jedoch aus einem flexiblen Material, etwa in Form einer Lipiddoppelschicht, platzt die Kugel nicht, sondern teilt sich in zwei Tochterkugeln. Man muss „nur“ genügend Oberflächen-Bausteine nachliefern. Das geht entweder durch Applikation von außen, oder raffinierter durch Einlagerung von Bausteinen, etwa Phospholipiden aus der Zelleigenen Produktion (PNAS 112(27): 8187-92).
Wer „Profi“-Zellteiler wie FtsZ-Proteine aus E.coli in die Konstruktion der künstlichen Zelle miteinbezieht, erzielt eine bessere Kontrolle der Teilung. Dennoch bleibt ein noch ungelöstes Problem: Dass jeweils die Hälfte des mütterlichen Erbes bei der Teilung artig auf die Tochterzellen übergeht, ist äußerst unwahrscheinlich. Eine annähernd gleichmäßige Aufteilung findet allenfalls bei Membran-verankerten Molekülen statt, solange diese homogen in der Membran der Mutterzelle verteilt sind.
Künstliche Zellen können in einer primitiven Sprache miteinander kommunizieren. So entwickelte die Gruppe des englischen Protozell-Spezialisten Stephen Mann in Bristol, UK, eine künstliche Zelle, die Glukoseoxidase beherbergt. Nach der Zugabe von Glukose gibt diese Wasserstoffperoxid ab, das die Außenhülle einer Nachbarzelle polymerisiert. Dadurch verändert sich deren Permeabilität, sodass sie bei leichter Erwärmung Substratmoleküle einlässt und umwandelt (Small 12(14): 1920-27).
Ein Team um Ryuji Kawano von der Universität Tokio verwendet künstliche Zellen zur autonomen Krebsdiagnose und -therapie (Nanoscale 9(42): 16124-7). Das japanische System spürt Lungenkrebszellen auf und legt sie lahm. Das Prinzip ist äußerst clever: Die von den Krebszellen abgegebene microRNA miR20a wird von einer künstlichen Zelle mit entsprechend programmierter DNA erkannt. Die Zelle gibt das Signal an eine künstliche Nachbarzelle weiter und stößt in dieser die Produktion des passenden Antisense-Oligonukleotides zur Krebsbekämpfung an.
Schon länger können künstliche Zellen Vorgänge in natürlichen Zellen beeinflussen. 2009 schuf die Mannschaft von Benjamin Davis von der Universität Oxford ein künstliches Zellsystem, das aus Formaldehyd und Borsäure Zuckerderivate bildet, die in Vibriobakterien Biolumineszenz auslösen (Nat Chem 1(5): 377-83).
Eine Gruppe um Joachim Spatz vom MPI für Medizinische Forschung in Heidelberg entwickelte eine clevere Methode für die Massenproduktion robuster künstlicher Zellen, die quasi „möblierbar“ sind (Nat. Mater.doi:10.1038/nmat5005). Die Wissenschaftler kombinierten dafür bisherige Materialien und Verfahren des Zellmembranbaus. Als Zellmembran häufig eingesetzte Polymersome bestehen aus amphiphilen Copolymer-Bausteinen. Sie sind widerstandsfähig und biegsam, ihre Permeabilität ist aber kaum kontrollierbar. Biomoleküle lassen sich in ihnen nur schwer einschließen. Für wassereinschließende Lipidhüllen (Unilamellare Vesikel oder Protozellen) gilt so ziemlich das Gegenteil. In einem Gebilde mit Copolymeren als Außen- und wassereinschließender Lipidhülle als Innenwand sind alle guten Eigenschaften vereint: Stabilität, Flexibilität, kontrollierbare Permeabilität und Wohlfühlmilieu für Biomoleküle.
Um dieses Traumhaus zu schaffen, nutzte Spatz‘ Team perfluorierte Polyether und Polyethylenglycol als Außenwandbausteine, an deren Innenseite Goldnanopartikel hafteten. In diese kugelförmigen Gebilde hatten sie vorher sogenannte Große Unilamellare Vesikel (GUVs) eingeschleust. Die GUVs kann man sich vorstellen wie tausende Fettaugen, die auf einer Suppe schwimmen. Durch Zugabe von Magnesiumionen verschmelzen die GUVs zu einem einzigen großen Fettauge. Dessen Außenwand aus einer Lipid-Doppelschicht lagert sich an die Copolymer-Innenwand an. Fertig ist ein Tropfen-stabilisierter GUV oder kurz dsGUV.
Um den dsGUVs Leben einzuhauchen, quetschten sie die Forscher durch eine feine Kanüle, in die durch eine rechtwinklig auf die Kanüle treffende Piko-Injektionsnadel Substanzen eingespeist wurden. Nach der Injektion wanderten die dsGUVs am Kanülen-Ende wieder ins Freie. Je nachdem, welche Substanz injiziert wurde, änderte sich das Innenleben der künstlichen Zellen. Bestand die Substanz zum Beispiel aus winzigen Vesikeln mit eingelagerten Transmembran-Proteinen, verschmolzen die Lipid-Doppelschichten von Vesikeln und dsGUV. Die dsGUVs wuchsen hierdurch und integrierten die Membranproteine in die eigene Innenwand.
Anhand von Aktin demonstrierte die Gruppe, dass man auf diese Weise auch nackte, Vesikel-freie Proteine in die künstlichen Zellen einbauen kann. Die injizierten Aktinmoleküle schwammen zunächst in den dsGUVs herum, formierten sich dann aber tatsächlich, wie in natürlichen Zellen, zu Filamenten.
Richtig cool ist die Konstruktion, mit der die Gruppe die dsGUVs vereinzelt und gleichzeitig GUVs aus der stabilen äußeren Schale „pellt“. Hierfür pumpen die Forscher die dsGUVs durch einen Mikrofluidik-Kanal in Form einer feinen Glaskapillare. Die dsGUVs zwängen sich wie einzelne Kettenglieder dicht an dicht durch die Kapillare. Auf halber Strecke speist ein hauchdünner Kanal, der im rechten Winkel auf die Kapillare trifft, eine Öl-Detergenz-Lösung ein, nach deren Kontakt sich die Kettenglieder voneinander lösen. Anschließend bremsen winzige Poller, ähnlich einem Wellenbrecher am Meer, die einzelnen aus den Polymertropfen gelösten GUVs ab, um sie letztlich sanft in einen mit einer wässrigen Lösung gefüllten Miniatur-Tank am Apparatur-Ende, zu entlassen.
Dass die in eine wässrige, physiologische Phase austretenden GUVs beziehungsweise Protozellen mit ihrer Umbebung interagieren, zeigten die Forscher mithilfe von dsGUVs die mit Integrin beladen waren. Die Integrin-Moleküle sind in die Lipiddoppelschicht der GUVs eingebaut. Werden die GUVs aus den dsGUVs gelöst und auf eine mit BSA-beschichtete Glasoberfläche entlassen, behalten sie ihre Kugelform bei. Ist die Glasoberfläche jedoch mit Fibrinogen benetzt, schmiegen sich die GUVs über die außen freiliegenden Integrin-Domänen an die Fibrinogen-benetzte Glasoberfläche an. Die ursprüngliche Kugelform flacht hierdurch erkennbar ab. Die GUVs behalten ihre Funktionalität also auch nach der Integration von Membranproteinen und der Freisetzung aus den dsGUVs.
Allein aus diesen wenigen Beispielen ergeben sich verschiedene Kombinationsmöglichkeiten, um künstliche Zellen herzustellen. Man darf also gespannt sein, was sich Biowissenschaftler, die an künstlichen Zellen arbeiten, in Zukunft einfallen lassen, um noch naturnähere Systeme aufzubauen.