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Leben aus dem Labor? US-Forscher erschaffen erstmals aus dem Nichts künstliche Zellen, die sich sogar vermehren. Die Wissenschaftler sehen großes Potenzial für die Industrie – und hoffen auf ein neues Zeitalter der Biologie.
Spätestens seit dem 1818 erschienenen Roman „Frankenstein“ träumt die Wissenschaft davon, lebendige Wesen selbst zu schöpfen. Nichts ist so kompliziert wie das Mysterium der Architektur, die Organismen im Inneren zusammenhält. Und doch gelang nun Forschern ein großer Schritt im Bestreben, die kleinste eigenständige Einheit des Lebens – Zellen – künstlich zu erschaffen.
Wissenschaftler der University of Minnesota, USA, bauten in ihrem Labor zellähnliche Strukturen, die sich vermehren und evolutionär entwickeln können. Somit erfüllten sie wesentliche Definitionen von „Leben“. Die SpudCell genannten Systeme basieren auf zuvor leblosen chemischen Verbindungen und können einen kompletten Zellzyklus durchlaufen.
Künstliche Zellen könnten auf den ersten Blick nutzlos erscheinen. Die Natur hat bereits Billionen verschiedener Zelltypen und noch mehr Varianten biologischer Moleküle hervorgebracht. Die Chemie- und Pharmaindustrie nutzt diese Vielfalt seit Langem, um in Mikroorganismen komplexe Chemikalien und Medikamente kostengünstig herzustellen.
Zwar könnten auch synthetische Zellen eines Tages als winzige molekulare Fabriken dienen. Ob sie jedoch jemals effizienter sein können als die Milliarden Jahre der Evolution, die in natürlichen Organismen stecken, bleibt abzuwarten.
Doch darum ging es zunächst nicht, sagt Hauptautorin und Associate Professor am College of Biological Sciences, University of Minnesota, Kate Adamala, gegenüber WELT. Entscheidend seien die Erkenntnisse, die im Prozess gewonnen würden. „Was wir nicht selbst bauen können, können wir nicht verstehen. Und um das volle Potenzial der Biotechnologien zu entfalten, müssen wir das Grundgerüst des Lebens vollständig selbst nachbauen können.“
Dennoch könnte es wichtige wirtschaftliche Nischen für synthetische Zellen geben. Sie könnten beispielsweise ermöglichen, Chemikalien, Medikamente und Materialien herzustellen, die in natürlichen Zellen nicht möglich sind. „Natürliche Biologie ist komplex und überraschend fragil. Viele toxische, aber für unsere Zivilisation notwendige Produkte können nicht in natürlichen Zellen hergestellt werden“, sagt Adamala. „Synthetische Zellen werden uns erlauben, Stoffe herzustellen, auf die wir bislang keinen Zugriff haben.“
Synthetische Biologie
Die nun vorgestellten SpudCells bestehen aus genau 36 verschiedenen Enzymen und einem winzigen Genom von 90.000 Basenpaaren. Frühere Berechnungen gingen noch davon aus, dass 113.000 Basenpaare ein absolutes Minimum für funktionsfähige Protozellen darstellen. Alle Bausteine zusammen werden von einer Lipidmembran umgeben.
Besonders an SpudCell ist unter anderem die Art der Herstellung. Frühere Versuche, künstliche Zellen zu erzeugen, setzten darauf, allmählich Gene und Proteine von lebenden Zellen zu entfernen, bis eine Minimalversion der Ursprungszelle übrigblieb.
SpudCell dagegen wurde aus aufgereinigten Einzelkomponenten zu einem größeren Ganzen gefügt. Ein umgekehrter Prozess, der maximale Kontrolle über die Zusammensetzung der so entstandenen Zellen erlaubt.
Die Schaffung künstlichen Lebens stellt Forscher bereits seit langer Zeit vor große Herausforderungen. „Es ist wie ein riesiges 3D-Puzzle, in dem jedes Element mit dem anderen zusammenpassen muss“, sagt Adamala. „Sobald wir es einmal geschafft haben, wird es einfacher, einzelne Elemente zu tauschen. Aber die ersten Schritte erfordern eine Menge Herumprobieren und Tüfteln.“
Bislang gibt es noch einige Limitierungen. Die Zellen haben keinen eigenen Metabolismus, da dieser die Codierung hunderter Stoffwechsel-Enzyme erfordern würde. Stattdessen werden sie über kleine Lipidkapseln gefüttert, die alles enthalten, was die Zellen zum Wachsen benötigen. Ein spezielles Protein, welches von den SpudCells selbst hergestellt wird, dockt an die Nahrungskapsel an und lässt sie mit der eigenen Membran verschmelzen.
Die Zellen haben zudem kein Zellskelett, was für die Teilung natürlicher Zellen zentral wäre. Stattdessen sammeln die SpudCells selbstproduzierte Proteine auf ihrer Oberfläche, bis die Membran zerbricht und die Zellen sich teilen. Die Vermehrungsrate individueller Zellen hängt damit von ihrer Produktionseffizienz ab.
Um zu testen, ob die Regeln der Evolution auch für ihre neue Schöpfung gelten, veränderten die Forscher das Genom einiger Individuen so, dass sie mehr der Membranproteine produzierten, die die Nahrungskapsel angeln. Nach kaum fünf Generationen hatten die modifizierten SpudCells ihre Vorgänger in der Zahl überholt. Unter Nährstoffmangel verschärfte sich dieser Wettbewerbsvorteil noch weiter. Sie zeigten somit, dass zwei Grundsäulen der Evolution – Selektion und Wettbewerb – auch in einem vollkommen synthetischen chemischen System funktionieren.
Eine Gefahr für Organismen in der Außenwelt bestehe dennoch nicht. Die Forscher versichern, dass die SpudCells wie andere genetisch veränderte Organismen unter Sicherheitsvorkehrungen gehalten würden. Da sie zudem auf eine spezielle Nährstofflösung angewiesen sind, könnten sie in einer natürlichen Umgebung unmöglich überleben.
Die Forscher haben nun weitere Pläne. In den nächsten Schritten sollen die Zellen ihre eigenen Proteinfabriken – sogenannte Ribosomen – herstellen können. Auch gehen bislang noch zu häufig Teile des Genoms bei der Zellteilung verloren. Zuletzt sollen Grundlagen eines eigenen Stoffwechsels hinzukommen.
Der Name SpudCell hat für die Wissenschaftler eine klare Bedeutung. „Sputnik entkam als Erstes der Schwerkraft und bewies, dass Menschen den Weltraum erforschen können. SpudCell demonstriert, dass wir Moleküle zusammenfügen und wesentliche Funktionen des Lebens nachschaffen und entwickeln können“, sagt Adamala.
„Genau wie Sputnik das Weltraumzeitalter gestartet hat, hoffen wir nun, dass diese Entdeckung den Funken bringt, um die Entwicklung eines neuen Zeitalters der Biologie zu entfachen, in dem eine robuste Bioökonomie unsere Welt zu einem besseren Ort machen wird.“
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