Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik
Entwicklung einer synthetischen minimalen Zelle
Die einfachste Einheit des Lebens
Die Zelle ist ein spezifisches und dynamisches Umfeld, in dem sich Moleküle organisieren und Reaktionen ablaufen, die zur Erhaltung des Lebens notwendig sind. Ihr Inneres bietet eine ideale Umgebung, in der sich die elementaren Moleküle des Lebens, wie DNA, Proteine, Zucker und Fette (Lipide), auf unterschiedliche Weise zusammenfinden und miteinander interagieren können, um chemische Reaktionen auszulösen und somit Lebensprozesse zu ermöglichen. Die biologische Zelle ist jedoch sehr komplex und hochdynamisch, so dass es für Forschende schwierig ist, zu verstehen, was in ihr vorgeht.
Chancen der synthetischen Biologie
Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist die Entwicklung einer synthetischen minimalen Zelle, die im Vergleich zu biologischen Zellen ein einfacheres System darstellt und in der man biologische Funktionen nachahmen kann. Mit einem solchen System kann man simulieren und verstehen, wie Zellen ihre Bestandteile organisieren, um in einer komplexen Umgebung zu funktionieren. Das Forschungsfeld der synthetischen Biologie vereint Elemente der Molekularbiologie, Biotechnologie, organischen Chemie, Ingenieurwissenschaften und Informationstechnologie mit dem Ziel, biologische Systeme nachzubauen und zu vereinfachen. Während manche Forscherteams versuchen, ausgehend von einfachen Organismen die Komplexität der Zelle immer weiter zu reduzieren (Top-down-Ansatz), wollen andere die für das Überleben einer Zelle absolut notwendigen Bausteine identifizieren und aus diesen Bausteinen neue Zellen bauen und damit einen Baukasten für künstliche Zellen zu schaffen (Bottom-up-Ansatz). Trotz vieler Erfolge in der synthetischen Biologie ist insbesondere der Aufbau dynamischer und regulierter Systeme immer noch eine große Herausforderung und ein ehrgeiziges Ziel.
Bau einer minimal komplexen synthetischen Zelle
Das MaxSynBio-Netzwerk der Max-Planck-Gesellschaft bündelt Kompetenzen im Bereich der synthetischen Biologie und fördert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, so auch unsere Kooperation zwischen dem MPI-CBG und und dem MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG). Gemeinsam haben wir die technischen Schwierigkeiten gemeistert, eine synthetische Zelle nach dem Bottom-up-Prinzip zu bauen, die auf Veränderungen in der Umwelt reagieren kann. Dazu konstruierten wir ein Kompartiment mit einer Lipid-Membran, ein sogenanntes riesiges unilamellares Vesikel (GUV), welches im Inneren ein membranfreies Unterkompartiment enthält.
Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Kompartimenten mit Lipid-Membran ist der Einbau von Membranproteinen. Im Jahr 2019 entwickelte unser Forscherteam eine neue Methode zum Einbau von Proteinen in Lipidmembranen, wodurch auf einfache Weise die Komplexität des synthetischen Systems erhöht werden kann. Unsere ebenfalls neu entwickelte Methode zur kontrollierten Bildung und Auflösung membranfreier Unterkompartimente in riesigen unilamellaren Vesikelen (GUV) wird maßgeblich zur Klärung der Frage beitragen, warum membranfreie Kompartimentierung in biologischen Systemen so wichtig ist. Diese Kompartimente bilden sich durch Phasentrennung, ein Prozess, der der Trennung von Öltropfen in Wasser ähnelt. Man vermutet, dass dynamische Phasentrennungsprozesse eine Rolle bei der Regulierung biochemischer Prozesse in Organismen spielen könnten.
pH-Wert beeinflusst Bildung von Kompartimenten
Abb. 1: Synthetische Zellen mit Kompartimenten. Magenta zeigt die Lipidmembran, Cyan zeigt die fluoreszenzmarkierten membranfreien Unterkompartimente. Die Unterkompartimente können sich in Abhängigkeit von den Veränderungen in der Umwelt zusammenfinden und auch wieder zerlegen.
Wie unsere Untersuchungen zeigten, beeinflusst der Säuregehalt (pH-Wert) der Umgebung, wie sich die membranfreien Unterkompartimente zusammenfinden oder auch wieder zerlegen können. So wie wir Menschen mit unseren Geschmacksnerven salzig oder sauer schmecken können, so können auch Komponenten im Inneren einer Zelle auf den pH-Wert einer Umgebung reagieren.Somit kann der pH-Wert das Verhalten aufeinandertreffender Moleküle und die daraus entstehenden, membranfreien Kompartimente beeinflussen. Chemische Reaktionen können also durch Veränderung des Säuregrades innerhalb der synthetischen Zelle an- und ausgeschaltet werden. Wir stellten fest, dass bei einem niedrigen pH-Wert ruhende Molekülreaktionen aktiviert werden und sich durch Phasentrennung zu einem Kompartiment ohne Membran zusammenfinden. Bei einem erhöhten pH-Wert zerlegten sich die gebildeten Kompartimente wieder in ihre einzelnen Bestandteile. Mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie konnten wir diese Kompartimente sichtbar machen (Abb. 1).
Modellsystem für grundlegende Fragen
Diese Arbeit ist ein großer Schritt nach vorn, um komplexere synthetische Zellen mit mehreren Kompartimenten zu bauen, die biologisches Verhalten imitieren und dynamisch auf externe Reize reagieren können. Diese synthetisch gebaute Zelle ist ein minimales und regulierbares Modellsystem zur Untersuchung allgemeiner Phänomene in der modernen Biologie. Es eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, um grundlegende Fragen der Biologie zu beantworten, zum Beispiel wie Zellen viele verschiedene Signale aus der Umwelt aufnehmen können, um grundlegende zelluläre Funktionen wie den Stoffwechsel in Gang zu setzen und zu regulieren, oder welche Rolle die Phasentrennung bei der Regulierung biochemischer Prozesse spielt.