Künstliche Zelle SpudCell wächst, teilt sich und vererbt DNA

Forscher:innen der University of Minnesota haben die weltweit erste synthetische Zelle mit vollständigem Lebenszyklus entwickelt. Das Team um die Associate Professors Kate Adamala und Aaron Engelhart baute die Zelle namens SpudCell komplett aus nicht lebenden chemischen Bausteinen zusammen. Anders als frühere Projekte, die jeweils nur einzelne biologische Funktionen nachbildeten, vereint SpudCell mehrere Lebensprozesse in einem einzigen System: Wachstum, Nahrungsaufnahme, DNA-Replikation, Zellteilung und die Weitergabe von Erbgut an die nächste Generation.

Die Ergebnisse erschienen als Studie, begleitet von einer Mitteilung der Universität. „Das ist wahrscheinlich das aufregendste Projekt, an dem ich je gearbeitet habe„, sagte Adamala. Ihr Team habe in der Chemie nachgebaut, was zuvor nur der Biologie vorbehalten war: das komplette Verhaltensrepertoire einer Zelle. Die synthetische Biologie hat bereits einzelne Zellfunktionen im Labor nachgebildet, etwa Stoffwechsel oder Wachstum. Eine komplett künstliche Zelle mit vollständigem Lebenszyklus galt bislang eher als Stoff für Science-Fiction denn als realistisches Forschungsziel.

Aufbau ohne Zellskelett

SpudCell besteht aus Liposomen, winzigen wassergefüllten Kügelchen mit einer Fettmembran, sowie aus synthetischer DNA, die die Bauanleitung für die grundlegenden Zellfunktionen liefert. Für ihre Ressourcen verschmelzen die künstlichen Zellen mit kleineren Liposomen, die Moleküle, Enzyme und Ribosomen für die Proteinproduktion enthalten. Beim Wachstum verdoppeln sie zunächst ihr Genom, bevor sie sich teilen.

Natürliche Zellen nutzen für die Teilung ein inneres Zellskelett. SpudCell kommt ohne dieses Skelett aus: Proteine sammeln sich an der Membran, bis der entstehende mechanische Druck die Membran auseinanderreißt. Dieser Mechanismus umgeht eines der zentralen Hindernisse, an denen frühere Ansätze zur künstlichen Zelle gescheitert sind.

Auslese unter chemischen Bedingungen

Die Forscher:innen zeigten auch, dass natürliche Selektion in ihrem chemischen System funktioniert. Sie führten eine genetische Veränderung ein, die die Produktion eines Fusionsproteins steigerte. Die veränderten Zellen wuchsen schneller und brachten mehr Nachkommen hervor. Nach fünf Generationen hatte die schneller wachsende Variante die ursprüngliche Population verdrängt, und unter knapper Nährstoffversorgung fiel dieser Vorteil noch deutlicher aus.

Das Genom von SpudCell umfasst nur 90 Kilobasenpaare, weniger als die 113 Kilobasenpaare, die Biolog:innen bislang als Untergrenze für ein lebensfähiges Genom vermuteten. Statt eines einzigen Chromosoms verteilt sich das Erbgut auf sieben separate DNA-Plasmide. Diese modulare Struktur erlaubt es dem Team, einzelne Zellfunktionen unabhängig voneinander zu programmieren.

Ein offenes Fundament für die Zellkonstruktion

Parallel zur Veröffentlichung gründeten Adamala und externe Partner:innen die Organisation Biotic, die eine gemeinsame technische Infrastruktur für die Konstruktion synthetischer Zellen aufbauen soll. Ihr Ziel: Forscher:innen weltweit sollen daran mitwirken können. „Diese Arbeit ist erst der Anfang„, sagte Adamala. Um das Potenzial der Technologie robust und praxistauglich zu machen, brauche es ein international abgestimmtes Vorgehen.

Bis zur praktischen Anwendung bleibt einiges zu tun. Die sieben DNA-Plasmide müssen zu einem einzigen, stabileren Genom zusammengeführt werden, und weitere molekulare Maschinerie fehlt noch. Auch fehlen bislang gemeinsame Standards zwischen einzelnen Laboren, wie eine funktionsfähige Zelle überhaupt aussehen soll.

Gelingt der Sprung von der einzelnen SpudCell zu einer echten Konstruktionspipeline, eröffnet das nach Einschätzung der Forscher:innen neue Wege für Medizin und Industrie. Von Grund auf gebaute Zellen könnten molekulare Umwandlungen leisten, die industrielle Chemie mit ihren hohen Energiekosten bislang nicht schafft, etwa präzise Wirkstoffe mit Aminosäuren, die in der natürlichen Evolution nie vorkamen, oder Materialien, die wachsen statt synthetisiert zu werden.

via University of Minnesota