Dank eines neuen Durchbruchs in der synthetischen Biologie verschwimmt die Grenze zwischen künstlichen und lebenden Materialien zunehmend. Forscher der University of North Carolina in Chapel Hill haben synthetische Zellen geschaffen, die sich wie lebende Zellen verhalten, jedoch mit einer Besonderheit. Sie können umprogrammiert werden, um mehrere Funktionen auszuführen und unter Bedingungen zu arbeiten, die für natürliche Zellen unerschwinglich wären. Das Geheimnis? Selbstorganisierende synthetische Zytoskelette, aufgebaut aus DNA und Proteinen.
DNA als Baustoff
In natürlichen Zellen sorgt das Zytoskelett für Struktur und Stabilität und schützt andere Zellbestandteile. Je nach Zelltyp kann dieses Zytoskelett mehr oder weniger flexibel sein und auf unterschiedliche Weise auf die Umgebung reagieren, wodurch Zellen ihre speziellen Fähigkeiten erhalten.
Aber DNA ist normalerweise kein Teil des Zytoskeletts. Die Forscher mussten DNA-Sequenzen so umprogrammieren, dass sie als architektonisches Material fungieren und Peptide miteinander verbinden. „Wir haben DNA-Sequenzen so umprogrammiert, dass sie als Architekturmaterial fungieren und Peptide zusammenbinden“, erklärt er Ronit Freeman, Erstautor der Studie dass ich dich hier verlinke.
Sobald dieses programmierte Material in einen Wassertropfen gegeben wurde, nahmen die Strukturen Gestalt an.
Multifunktionale synthetische Zellen
Die Fähigkeit, DNA so zu programmieren, dass sie sich auf unterschiedliche Weise selbst zusammensetzt, hat es Forschern, wie bereits erwähnt, ermöglicht, synthetische Zellen mit unterschiedlichen Funktionen zu schaffen. Und sie sind nicht auf einen Zweck festgelegt: Durch die Änderung der Temperatur der Lösung können unterschiedliche Konfigurationen ausgelöst werden. Durch die Kombination verschiedener Peptide oder DNA-Sequenzen könnten programmierbare Gewebe in größerem Maßstab erhalten werden, sagt das Team.
Diese synthetischen Zellen sind zwar nicht so komplex wie lebende Zellen, aber einfacher zu manipulieren und können unter Bedingungen funktionieren, denen natürliche Zellen nicht standhalten könnten.
Die synthetischen Zellen waren selbst bei 50 °C stabil und eröffneten die Möglichkeit, Zellen mit außergewöhnlichen Fähigkeiten in Umgebungen herzustellen, die normalerweise für menschliches Leben ungeeignet sind.
Ronit Freeman, Universität von North Carolina
Auf dem Weg zu neuen Grenzen der Medizin
Integriert in andere synthetische Zelltechnologien könnten diese programmierbaren Zellen in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden, von Regenerative Medizin bis hin zu Medikamentenverabreichungssystemen und Diagnosetools.
Stellen Sie sich zum Beispiel synthetische Zellen vor, die beschädigtes Gewebe reparieren sollen, sich an lokale Bedingungen anpassen und mehrere Aufgaben erfüllen können, von der Stimulierung des Zellwachstums bis zur Unterdrückung von Entzündungen. Oder wiederum mit Medikamenten beladene künstliche Zellen, die in der Lage sind, bestimmte Stellen im Körper zu erreichen und ihre „Fracht“ kontrolliert und gezielt abzugeben.
Nochmals: Fabriken für synthetische Zellen, die in der Lage sind, maßgeschneiderte chemische Verbindungen oder Materialien herzustellen, oder künstliche Zellen, die Wasser oder Luft von Verunreinigungen reinigen sollen. Synthetische Stoffe, die sich selbst reparieren oder sich an äußere Reize anpassen können. Die Liste ließe sich endlos fortsetzen.
Synthetische Zellen, ein Fortschritt in der Biologie
Diese Studie stellt einen bedeutenden Durchbruch auf dem Gebiet der synthetischen Biologie dar, einer Disziplin, die darauf abzielt, künstliche biologische Systeme mit neuen oder verbesserten Fähigkeiten im Vergleich zu natürlichen zu schaffen.
Bisher konzentrierte sich ein Großteil der Bemühungen auf diesem Gebiet auf die Schaffung synthetischer genetischer Schaltkreise in lebenden Zellen und die Neuprogrammierung ihrer DNA, um gewünschte Funktionen auszuführen. Der Ansatz von Freeman und Kollegen geht jedoch noch weiter und schafft völlig synthetische Zellen von Grund auf mit selbstorganisierenden Zytoskeletten, die nach Belieben programmiert werden können.
Von diesen Zukunftsszenarien sind wir natürlich noch weit entfernt. Die von Freeman und Kollegen geschaffenen synthetischen Zellen sind im Vergleich zu ihren natürlichen Gegenstücken immer noch relativ einfach, und es bleibt noch viel zu tun, um ihre Komplexität und Fähigkeiten zu steigern. Diese Forschung legt jedoch den Grundstein für eine Zukunft, in der die Grenze zwischen organisch und synthetisch zunehmend verschwimmt. Eine Zukunft, in der synthetische Zellen mit natürlichen Zellen zusammenarbeiten oder diese sogar übertreffen und so den Weg für Technologien und Anwendungen ebnen, die bisher undenkbar waren.
