Forscherteam aus Minnesota baut SpudCell – eine synthetische Zelle mit den meisten Merkmalen des Lebens

Eine von unten aufgebaute synthetische Zelle durchläuft einen lebensähnlichen Zyklus

Wissenschaftler der University of Minnesota haben am Mittwoch bekanntgegeben, dass ihnen der Bau einer synthetischen Zelle mit dem Namen SpudCell gelungen ist. Diese kann sich ernähren, wachsen, ihr Erbgut kopieren und sich teilen – und damit einen Zyklus von der Entstehung bis zu Nachkommen durchlaufen, nachdem sie vollständig aus nichtlebenden Chemikalien zusammengesetzt wurde. Die New York Times berichtete, die Arbeit werde von der Synthetischen Biologin Kate Adamala geleitet und von außenstehenden Forschern als die bisher weitestgehende Annäherung einer von unten aufgebauten Zelle an die Eigenschaften lebender Organismen beschrieben.

„Leben ist nicht binär“, sagte Adamala gegenüber der New York Times. „Deshalb zögere ich, dies ‚lebendig‘ zu nennen. Es gibt keine klare Grenze, so sehr wir uns das auch wünschen würden.“ In einer eigenen Stellungnahme, die in der Times zitiert wurde, erklärte ihr Team, SpudCell „vollbringe die Verhaltensweisen, mit denen man üblicherweise Lebendiges von Unbelebtem unterscheidet – es ernährt sich, wächst, repliziert sein Genom, teilt sich und unterliegt der Selektion –, und doch ist es weit einfacher als jede natürliche Zelle und wurde Stück für Stück von Hand zusammengebaut.

Wie SpudCell zusammengesetzt wurde

Nach Angaben der Times of India mischten die Forschenden rund hundert verschiedene Arten von Proteinen und kleinen Chemikalien, die für die grundlegende Zellchemie nötig sind, zusammen mit ausgewählten Genen aus einem Virus und aus E. coli. Aus Lipid-Bausteinen bildeten sich spontan Membranen, die Teile der Mischung einschlossen und so blasenartige Kompartimente erzeugten. Einige dieser Blasen fingen zufällig genau die richtige Kombination aus Genen und Proteinen ein, um lebensähnliche Reaktionen auszuführen: Nährstoffe aufzunehmen, mit extern zugeführten Ribosomen Proteine herzustellen, zu wachsen und sich dann zu teilen.

Die Times of India beschrieb SpudCell als „eine reduzierte, zellähnliche Struktur, Stück für Stück zusammengebaut“. Den Namen SpudCell, so berichtete die New York Times, wählte Adamala, weil die Kompartimente kartoffelförmig aussehen.

Der Teilungsmechanismus, erklärte Adamala gegenüber der New York Times, ahme nicht die Proteinringe nach, mit denen sich natürliche Zellen selbst in zwei Hälften einschnüren. Stattdessen nutzte ihr Team einen von Biophysikern beobachteten Effekt: Werden bestimmte Proteine an einer Membran verankert, entsteht ein Druck, der sie verbiegt. Blasen, die darauf ausgelegt waren, frei schwimmende Proteine einzufangen, bogen sich schließlich weit genug nach innen, um in zwei Teile zu zerfallen, wobei DNA und andere Moleküle auf die Tochterkompartimente verteilt wurden.

Wo SpudCell „lebendig“ zu sein aufhört

SpudCell ist nicht selbstständig. Da die Zelle keine eigenen Ribosomen herstellen kann – die molekularen Maschinen, die genetische Informationen in Proteine übersetzen –, müssen die Forschenden ihr funktionsfähige Ribosomen und andere lebenswichtige Proteine von außen zuführen. Wenn diese geliehenen Bestandteile abgebaut werden, hält eine SpudCell-Linie laut übereinstimmender Berichte der New York Times und der Times of India nur etwa fünf bis zehn Generationen, bevor die Funktion zusammenbricht.

Ihr Genom ist zudem ungewöhnlich klein und fragmentiert. SpudCell trägt rund 90.000 Basenpaare DNA, verglichen mit etwa drei Milliarden in menschlichen Zellen, aufgeteilt auf sieben separate DNA-Moleküle statt in einem einzigen vereint. Diese Fragmentierung, so die New York Times, führe dazu, dass genetisches Material nicht immer vollständig an die nächste Generation weitergegeben wird.

„SpudCell imitiert viele Merkmale des Lebens, ist aber auf menschliche Hilfe angewiesen“, schrieb die Times of India. „Diese Einschränkungen sind der Grund, warum Wissenschaftler davon absehen, SpudCell uneingeschränkt ‚lebendig‘ zu nennen.“

Warum Forschende die Arbeit dennoch für bedeutsam halten

Die Forschung stieß bei nicht beteiligten Synthetischen Biologen auf begeisterte Reaktionen. John Glass, der am J. Craig Venter Institute in La Jolla, Kalifornien, das Top-Down-Projekt für Minimalzellen leitet, sagte der New York Times: „Es ist verblüffend, dass sie all diese Dinge zusammengefügt hat.“ Drew Endy von Stanford erklärte schlicht: „Es ist eine Zelle, die gebaut und nicht geboren wurde. Sie ist konstruiert, aber sie tut das, was Zellen tun.“ Roseanna Zia, Computergestützt arbeitende Biologin an der University of Missouri, ergänzte: „An diesen Moment werden wir uns erinnern.“

Die Times of India rahmte den Durchbruch als Wendepunkt in der „von unten aufbauenden“ Synthetischen Biologie und grenzte ihn von früheren „Top-Dow“-Minimalzellen ab – wie der am Venter-Institut entwickelten Mikrobentlinie mit 525 Genen, die durch das Reduzieren eines lebenden Organismus entstand. Diese Top-Down-Vorhaben seien an einer Mauer des Unwissens angelangt: Glass sagte der New York Times, dass die Wissenschaftler ein Jahrzehnt nach Beginn dieses Programms immer noch nicht sagen könnten, welche Funktion 56 dieser 525 wesentlichen Gene tatsächlich haben.

Indem Adamalas Team von Chemikalien ausgehend nach oben arbeitet, versucht es, den kleinsten Satz an Bausteinen zu identifizieren, der tatsächlich für zellähnliches Verhalten ausreicht. Solche vereinfachten Systeme, so die Times of India, könnten es Forschenden ermöglichen, „zu testen, welche Gene und Strukturen für grundlegende zelluläre Aufgaben notwendig sind“, und damit grundlegende Biologie auf eine Weise erhellen, die natürliche Zellen – mit Zehntausenden von Genen und Millionen von Regulationsschaltern – nur schwer zugänglich machen.

Diskutierte praktische Anwendungen

Die New York Times berichtete, die Forschenden hofften, synthetische Zellen ließen sich künftig so konstruieren, dass sie Medikamente herstellten, große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre zögen, Proteine produzierten, die natürliche Zellen nicht zur Bildung bewegen ließen, oder gar giftige Chemikalien wie Raketentreibstoff synthetisierten. Glass sagte der Zeitung, die neue Fähigkeit öffne die Tür zu „einer Chemie, die wir gerade erst ansatzweise begreifen“. Die Times of India listete ähnliche mögliche Verwendungen auf, darunter maßgeschneiderte biologische Maschinen für Medizin und Kohlenstoffabscheidung sowie kontrollierte Plattformen für die Erforschung von Evolution und Molekulartechnik.

Eine offene Forschungsinitiative statt eines Patents

Adamala und Endy haben es abgelehnt, SpudCell zum Patent anzumelden. Stattdessen, so die New York Times, organisieren sie eine Gemeinschaft von Wissenschaftlern, die SpudCells stärker lebensfähig machen und für neuartige Experimente anpassen soll. Die beiden haben eine gemeinnützige Forschungsorganisation gegründet, die nach Ends Schätzung in den kommenden zehn Jahren Hunderte Millionen Dollar in das Vorhaben investieren und Hunderte von Wissenschaftlern einbinden wird.

Die Times of India berichtete, die Initiative werde unter dem Namen Biotic als Open-Research-Vorhaben geführt, damit andere die SpudCell-Arbeit reproduzieren und erweitern könnten.

Was als Nächstes zu beobachten ist

Adamala und ihre Kollegen haben nach Angaben der New York Times einen 190-seitigen Bericht über ihre Arbeit online veröffentlicht; die Forschungsarbeit befindet sich in der Begutachtung durch eine wissenschaftliche Zeitschrift. Das Team hat drei Prioritäten formuliert: SpudCells zu befähigen, eigene Ribosomen herzustellen, die fehlerfreie Übertragung des Genoms zu verbessern und die Abhängigkeit von extern zugeführten Proteinen zu verringern. Fortschritte in diesen Bereichen würden, wie die Times of India anmerkte, den Linien ermöglichen, länger zu bestehen und sich stärker wie natürliche Zellen zu verhalten.

Die unabhängige Bestätigung des Preprints, der Start und die Finanzierung von Biotic sowie jedwede Fortschritte hin zu selbst zusammengesetzten Ribosomen in SpudCell werden die nächsten konkreten Marker dafür sein, ob die Bekanntgabe zu einem dauerhaften wissenschaftlichen Durchbruch wird.