Chemie trifft Biologie: Steuerung künstlicher Zellmembranen durch Katalyse
Forscher entwickeln eine auf künstlichen Metalloenzymen basierende Plattform, die eine programmierbare Steuerung des Verhaltens künstlicher Membranen ermöglicht
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Mit Hilfe der katalytischen Chemie haben Forscher am Institute of Science Tokyo eine dynamische Kontrolle künstlicher Membranen erreicht, die ein lebensechtes Membranverhalten ermöglicht. Durch den Einsatz eines künstlichen Metalloenzyms, das eine ringschließende Metathesereaktion durchführt, hat das Team das Verschwinden phasengetrennter Domänen sowie die Teilung von Membranen in künstlichen Membranen bewirkt und damit das dynamische Verhalten natürlicher biologischer Membranen imitiert. Diese bahnbrechende Forschung stellt einen Meilenstein in der synthetischen Zelltechnologie dar und ebnet den Weg für innovative therapeutische Durchbrüche.
Programmierbare künstliche Zellmembranen, die durch eine katalytische chemische Reaktion gesteuert werden
Biologische Membranen sind grundlegende Strukturen, die die Grenzen aller lebenden Zellen bilden und steuern, wie Zellen kommunizieren, wachsen und auf ihre Umgebung reagieren. Diese Membranen bestehen aus verschiedenen Molekülen wie Lipiden und Proteinen, die sich zu einer Membranschicht anordnen. Unter bestimmten Umständen ballen sich die Moleküle zu lokalen Funktionsbereichen zusammen, die bestimmte biologische Prozesse regulieren. Diese gebündelten Regionen werden als phasengetrennte Domänen bezeichnet und unterscheiden sich von der umgebenden Membran.
Das dynamische Verhalten dieser Regionen zu verstehen und nachzubilden, fasziniert Wissenschaftler seit langem, die künstliche Zellen konstruieren wollen, die sich wie natürliche Zellen verhalten. Da die meisten künstlichen Membranmodelle jedoch statisch bleiben, war es bisher eine große Herausforderung, diese adaptiven Eigenschaften biologischer Membranen zu reproduzieren. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, und der Universität Basel, Schweiz, gemeinsam eine neue chemische Strategie entwickelt, um das Verhalten künstlicher Zellmembranen zu steuern.
Die Studie wurde von Professor Kazushi Kinbara und Doktorand Rei Hamaguchi von der School of Life Science and Technology, Science Tokyo, Japan, in Zusammenarbeit mit Professor Thomas R. Ward von der Universität Basel, Schweiz, geleitet. Die Ergebnisse wurden am 15. Oktober 2025 online zugänglich gemacht und am 29. Oktober 2025 in Band 147, Ausgabe 43 des Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Um die Membranen zum Leben zu erwecken, bauten die Forscher zunächst winzige künstliche zellähnliche Strukturen, so genannte Lipidbläschen. Dann bauten sie einen Hybridkatalysator, ein so genanntes künstliches Metalloenzym (ArM) - eine Kombination aus einem biologischen Protein Streptavidin (Sav) und einem synthetischen Metallkatalysator (Ruthenium-Metallkomplex), der eine Biotin-Komponente (Vitamin B7) trägt. Dieses Enzym wirkt wie ein Katalysator auf der Membran und führt eine kritische chemische Reaktion durch, die als Ringschlussmetathese (RCM) bezeichnet wird.
Um den ArM-Katalysator an der Oberfläche der Lipidmembran zu befestigen, baute das Team außerdem ein spezielles, mit Biotin markiertes Lipid in die Membran ein, das als Anker für den Katalysator diente.
"Wenn das ArM-System durch Fettsäurevorläufer ausgelöst wird, setzt es freie Fettsäuren durch RCM frei", erklärt Kinbara. "Diese Fettsäuren schlüpfen in die Membran, verändern ihre Struktur auf subtile Weise und steuern das dynamische Verhalten der Membran."
Molekulare Simulationen enthüllten Schlüsselmechanismen, die diesen Umwandlungen zugrunde liegen. Inaktive, eingesperrte Fettsäurevorläufer wurden zunächst durch den ArM-Katalysator durch die RCM-Reaktion aktiviert. Durch diese Reaktion werden die eingesperrten Fettsäurevorläufer freigesetzt und freie Fettsäuren in der Nähe der Membran freigesetzt. Die freigesetzten Fettsäuren fügen sich auf natürliche Weise in die Membranoberfläche ein und verändern deren Steifigkeit und Krümmung, was wiederum zu sichtbaren Veränderungen wie dem Verschwinden von phasengetrennten Domänen und der Teilung der Membran führt.
"Es ist ein bisschen so, als würde man einer synthetischen Membran die Fähigkeit geben, zu atmen und zu reagieren", sagt Kinbara. "Indem wir eine chemische Reaktion auf der Membranoberfläche steuern, können wir sie dazu bringen, sich selbst zu reorganisieren, ähnlich wie es eine lebende Zelle tut."
Die Entdeckung stellt den ersten Versuch dar, das physikalische Verhalten künstlicher Membranen chemisch zu programmieren, und schafft die Voraussetzungen für die Schaffung lebensähnlicher Materialien, die ihre Umgebung wahrnehmen und auf sie reagieren können. Sie bringt nicht nur die synthetische Biologie voran, sondern stellt auch einen Entwurf für die Schaffung programmierbarer künstlicher Membranen vor, die künftige therapeutische Innovationen inspirieren könnten und die Kluft zwischen Chemie und Leben überbrücken.
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