16.09.2022 - University of Bristol

Bahnbrechende Forschung bringt die Entwicklung künstlicher Zellen mit lebensechter Funktionalität einen Schritt näher

Forscher haben sich das Potenzial von Bakterien zunutze gemacht, um synthetische Zellen zu bauen, die die Funktionen des echten Lebens nachahmen

Die von der Universität Bristol geleitete und in Nature veröffentlichte Forschungsarbeit ist ein wichtiger Fortschritt beim Einsatz synthetischer Zellen, so genannter Protozellen, die die komplexe Zusammensetzung, Struktur und Funktion lebender Zellen genauer darstellen.

Die Herstellung naturgetreuer Funktionalität von Protozellen ist eine große Herausforderung, die sich über mehrere Bereiche erstreckt, von der synthetischen Biologie und dem Bioengineering bis hin zur Erforschung des Ursprungs des Lebens. Frühere Versuche, Protozellen mit Hilfe von Mikrokapseln zu modellieren, sind gescheitert, so dass sich das Forscherteam Bakterien zuwandte, um komplexe synthetische Zellen mit Hilfe eines Verfahrens zum Zusammenbau lebender Materialien zu bauen.

Professor Stephen Mann von der School of Chemistry der Universität Bristol und dem Max-Planck-Zentrum für Minimalbiologie in Bristol hat zusammen mit seinen Kollegen Dr. Can Xu, Nicolas Martin (derzeit an der Universität Bordeaux) und Mei Li vom Bristol Centre for Protolife Research einen Ansatz zur Konstruktion hochkomplexer Protozellen vorgestellt, bei dem viskose Mikrotropfen, die mit lebenden Bakterien gefüllt sind, als mikroskopische Baustelle dienen.

In einem ersten Schritt setzte das Team die leeren Tröpfchen zwei Arten von Bakterien aus. Eine Population wurde spontan innerhalb der Tröpfchen eingefangen, während die andere an der Tröpfchenoberfläche gefangen war.

Dann wurden beide Bakterientypen zerstört, so dass die freigesetzten zellulären Komponenten im Inneren oder auf der Oberfläche der Tröpfchen gefangen blieben und membranumhüllte bakteriogene Protozellen mit Tausenden von biologischen Molekülen, Teilen und Maschinen entstanden.

Die Forscher entdeckten, dass die Protozellen in der Lage waren, energiereiche Moleküle (ATP) durch Glykolyse zu produzieren und RNA und Proteine durch In-vitro-Genexpression zu synthetisieren, was darauf hindeutet, dass die ererbten bakteriellen Komponenten in den synthetischen Zellen aktiv blieben.

Um die Leistungsfähigkeit dieser Technik weiter zu testen, setzte das Team eine Reihe chemischer Schritte ein, um die bakteriogenen Protozellen strukturell und morphologisch umzugestalten. Die freigesetzte bakterielle DNA wurde zu einer einzigen kernähnlichen Struktur kondensiert, und das Innere des Tröpfchens wurde mit einem zytoskelettartigen Netzwerk aus Proteinfilamenten und membranumschlossenen Wasservakuolen infiltriert.

Als Schritt zur Konstruktion einer synthetischen/lebenden Zelle implantierten die Forscher lebende Bakterien in die Protozellen, um eine selbsterhaltende ATP-Produktion und eine langfristige Energieversorgung für die Glykolyse, die Genexpression und den Aufbau des Zytoskeletts zu gewährleisten. Interessanterweise nahmen die protolivierenden Konstrukte aufgrund des bakteriellen Stoffwechsels und Wachstums vor Ort eine amöbenartige äußere Morphologie an, so dass ein zelluläres bionisches System mit integrierten lebensähnlichen Eigenschaften entstand.

Der korrespondierende Autor Professor Stephen Mann sagte: "Eine hohe organisatorische und funktionelle Komplexität in synthetischen Zellen zu erreichen, ist schwierig, insbesondere unter gleichgewichtsnahen Bedingungen. Wir hoffen, dass unser aktueller bakteriogener Ansatz dazu beitragen wird, die Komplexität aktueller Protozellmodelle zu erhöhen, die Integration zahlreicher biologischer Komponenten zu erleichtern und die Entwicklung von energetisierten zytomimetischen Systemen zu ermöglichen."

Erstautor Dr. Can Xu, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bristol, fügte hinzu: "Unser Ansatz für den Zusammenbau lebender Materialien bietet die Möglichkeit, symbiotische lebende/synthetische Zellkonstrukte von unten nach oben aufzubauen. So sollte es zum Beispiel möglich sein, mit Hilfe von künstlichen Bakterien komplexe Module für die Entwicklung in diagnostischen und therapeutischen Bereichen der synthetischen Biologie sowie in der Bioproduktion und Biotechnologie im Allgemeinen herzustellen."

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