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Synthetische Biologie: Von Grund auf neu

Künstlich hergestellte Zellen könnten helfen, die Grenzen des Lebens zu erforschen – und zu überschreiten.
Lipidbläschen

Es waren gerade einmal acht Zutaten: zwei Sorten Proteine, zwei Arten von Lipidmolekülen, drei Puffersubstanzen und ein wenig chemische Energie. Doch sie reichten aus, einen Schwarm lebhaft pulsierender Bläschen zu erzeugen, bei denen es sich um rudimentäre zellähnliche Strukturen handelte – ausgestattet mit Mechanismen, um sich selbst zu teilen. Für die Biophysikerin Petra Schwille stellen diese tanzenden Gebilde einen wichtigen Schritt hin zu künstlichen Zellen dar, die aus grundlegenden molekularen Bestandteilen zusammengefügt werden, also nicht von Lebewesen abstammen. Das Ziel, mit einer solchen »Bottom-up«(»von Grund auf«)-Methode ein System herzustellen, das die Merkmale eines lebenden Organismus aufweist, verfolgt Schwille seit gut zehn Jahren – aktuell am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried.

»Mich hat immer schon die Frage fasziniert, was lebende von nichtlebender Materie unterscheidet«, erzählt die Biophysikerin. Die Herausforderung bestehe für sie darin, zu ermitteln, welche Bestandteile für lebende Systeme wirklich unverzichtbar sind. Sie stellt sich so etwas wie eine perfekte synthetische Zelle vor, in der sämtliche Faktoren bekannt sind, die dem Gebilde »Lebenskraft« verleihen.

Wissenschaftler versuchen bereits seit mehr als 20 Jahren, künstliche Zellen zu erzeugen, indem sie Biomoleküle so zusammenfügen, dass die dabei entstehenden Systeme verschiedene Aspekte des Lebens abbilden. Es gibt zwar viele Merkmale, die lebende Strukturen auszeichnen, generell lassen sie sich aber in drei Kategorien einordnen: Kompartimentierung, also räumliche Trennung von Biomolekülen; Metabolismus, sprich biochemischer Stoffumsatz; und Informationsverarbeitung …

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  • Quellen

Deshpande, S. et al.: Octanol-assisted liposome assembly on chip. Nature Communications 7, 2016

Hutchinson, C. A. et al.: Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351, 2016

Litschel, T. et al.: Beating vesicles: encapsulated protein oscillations cause dynamic membrane deformations. Angewandte Chemie International Edition English 57, 2018

Schwander, T. et al.: A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Science 354, 2016

Weiss, M. et al.: Sequential bottom-up assembly of mechanically stabilized synthetic cells by microfluidics. Nature Materials 17, 2018