Protozellen

von Viviane Böhm und Tina Giersch

Einleitung

Zellen sind der Grundbaustein des Lebens. Jeder Organismus besteht aus Zellen oder ist selbst eine einzige Zelle. [Walde, 2010] Und im folgenden Kapitel soll es uns nun um die Protozellen gehen. Auf dem Forschungsgebiet nach dem Ursprung des Lebens, werden Protozellen als Vorläuferstrukturen der ersten Zellen betrachtet. Aus ihnen soll vor vier Milliarden Jahren der Ursprung des Lebens hervorgegangen sein. Es wird angenommen, dass Protozellen aus chemischen Komponenten aufgebaut sind, die keine lebenden Systeme für ihre Synthese benötigen und der Übergang von der Protozelle zur ersten Zelle der entscheidende Schritt von der unbelebten Materie zum Leben war [Walde, 2010].

Definition Protozelle

Im folgenden Kontext sollen Protozellen jedoch wie folgt definiert sein: Protozellen sind künstliche Systeme, die in ihrem Aufbau einfacher als biologische Zellen sind, diesen aber ähneln. Bei einer Protozelle handelt es sich also um ein zellähnliches, in Experimenten in vitro hergestelltes, künstliches Konstrukt, das einige, aber nicht notwendigerweise alle, Eigenschaften einer lebenden Zelle aufweist. [Walde, 2010] Einige Schlüsselfaktoren, die eine Zelle als lebende Zelle definieren, seien hier aufgelistet [Walde, 2010; URL-2; URL-5]:

• • Zellen besitzen eine semipermeable Plasmamembran, durch die Nährstoffe in das Innere der Zelle und Abfallprodukte aus der Zelle heraus gelangen können.
  • Mit der doppelsträngigen DNA im Zellkern besitzt jede Zelle einen mutierbaren Informationsspeicher.
  • Lebende Zellen verfügen über die Fähigkeit zur Transkription und Translation der DNA.
  • Die Summe aller chemischen Prozesse in einer Zelle bezeichnet man als Metabolismus.
  • Jede Zelle besitzt Enzyme zur Katalyse dieser chemischen Prozesse.
  • Zellen sind in der Lage sich zu teilen und zu wachsen.
  • Alle Zellen sind selbst-regulierende Systeme, die fähig sind auf Reize zu reagieren.
  • Eine lebende Zelle hat selbst die Kontrolle über all ihre Komponenten und Funktionen.

Synthese einer Protozelle

Bei der Modellierung von Protozellen werden als Kompartiment oft Lipid-Vesikel (Abbildung 1) verwendet. Der Grund dafür ist, dass diese in vielerlei Hinsicht ähnliche Eigenschaften zu lebenden Zellen aufweisen. Lipid-Vesikel bestehen, ähnlich der Plasmamembran lebender Zellen, aus einer Doppelschicht amphiphiler Lipidmoleküle [Walde, 2010; Roodbeen & van Hest, 2009].

Oft werden niedermolekulare, vesikelbildende Moleküle, wie beispielsweise Phospholipide oder Fettsäuren für die synthetischen Zellmembranen verwendet, da diese Verbindungen auch in lebenden Zellen vorkommen, sie durch einfache Biosynthese hergestellt werden können und sie semipermeabel sind [Roodbeen & van Hest, 2009]. Ein semipermeables Vesikel wird in der Abbildung 2 dargestellt.

Die Semipermeabilität von synthetischen Membranen ist beispielsweise bei der Replikation von DNA beziehungsweise RNA nach der Einkapselung in ein Vesikel von großer Bedeutung. Hier muss gewährleistet sein, dass notwendige Reagenzien für den Aufbau von Polynukleotiden die Membran passieren können. Das synthetisierte Produkt sollte jedoch im Inneren bleiben [Roodbeen & van Hest, 2009]. Weitere Vorteile von Lipid-Vesikeln sind, dass ihre Größe gut zu der von lebenden Zellen passt und sie Formänderungen, Knospungen und Teilungen eingehen können. Aufgrund all dieser Vorzüge sind Lipid-Vesikel gut geeignet, um in ihnen verschiedenste und anspruchsvolle Reaktionen auszuführen, die denen biologischer Zellen ähneln [Walde, 2010]. Die Generierung von Protozellen erfolgt über den Bottom-Up-Ansatz. [Walde, 2010; URL-5] Dabei sind Komponenten, aus denen eine synthetische Zelle erschaffen wird, einzelne Moleküle, wie DNA, RNA, Enzyme, Proteine oder Lipide. Das kann man sich vergleichsweise so vorstellen, als hätte man ein Auto vor sich, welches in all seine, auch noch so kleinsten, Bestandteile zerlegt wurde und nun wieder zusammengebaut werden soll [Walde, 2010]. Die einzelnen Moleküle werden in einem Kompartiment zusammengefügt, um Elemente einer funktionellen Zelle nachzubilden. [Roodbeen & van Hest, 2009] Weitere Informationen zum Bottom-Up-Ansatz werden im Abschnitt Minimalzellen erläutert.

Hindernisse bei der Erschaffung von Protozellen

Bisher ist es zwar gelungen, Zellen mit einem vollkommen synthetischen Genom funktionstüchtig zu machen [URL-4], aber derzeit können die Forscher noch keinen lebenden Organismus oder Zellen, die alle Eigenschaften lebender Zellen aufweisen, über den Bottom-Up-Ansatz erschaffen. Dazu ist deren Komplexität einfach viel zu hoch, selbst wenn es sich „nur“ um eine einzellige Bakterie handelt [Walde, 2010]. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass das künstlich modellierte System oft Eigenschaften aufweist, die erst aus dem kollektiven Verhalten resultieren und bei den einzelnen Bestandteilen, aus denen die Zelle geschaffen wurde, noch nicht vorhanden waren. Diese resultierenden Eigenschaften können nicht allein aus dem Kennen der Eigenschaften der einzelnen Komponenten vorhergesagt werden [Walde, 2010].

Beispiele

Im Folgenden sollen nun einige Beispiele aufgelistet werden, um einen Einblick darüber zu gewinnen, was bisher bei der Forschung an Protozellen erreicht wurde.

• • Das erste Vesikel, welches sich selbst reproduzieren konnte, wurde 1994 von Walde et al. entwickelt. Bei diesem Versuch wurden Ölsäure und Caprylsäure für die Vesikelbildung verwendet [Roodbeen & van Hest, 2009].

• • Es ist gelungen RNA-Replikationssysteme in ein Lipid-Vesikel einzuschließen. Das Vesikel ist in der Lage Ribonukleotide aufzunehmen und kann wachsen, indem es Fettsäure-Mizellen aufnimmt, die im Nährmedium zur Verfügung gestellt werden. So können aus diesem Vesikel spontan zwei Tochterzellen entstehen [Kleiner et al., 2009].

• • Es konnten Nanosysteme erstellt werden, die bestimmte Merkmale lebender Zellen aufweisen, indem zellfreie Proteinexpressionssysteme in Lipid-Vesikel eingebracht wurden [Kleiner et al., 2009] .

• • Die Vesikelmembran konnte mit Hilfe einer spezifischen Proteinexpression permeabler gemacht werden, sodass die Effizienz der Nährstoffaufnahme gesteigert werden konnte [Walde, 2010].

• • Weiterhin gelang es die Biosynthese von ATP zu rekonstruieren. Dafür wurde Bakteriorhodopsin (BR), welches als eine lichtgetriebene Transmembran-Protonen-Pumpe fungiert, in eine Polymermembran eingebettet, um einen Protonengradienten aufzubauen und zu halten. Die Protonen werden durch das Bakteriorhodopsin in das Innere des Vesikels gebracht, um die ATP-Bildung voranzutreiben. Der Gradient verstärkt die F0F1-ATP-Synthase. F0F1 ist ein enzymatisches Transmembranprotein, das die Phosphorylierung von ADP zu ATP katalysiert. Man könnte dieses Enzym umgangssprachlich auch als Motor bezeichnen. Experimente konnten die Durchführbarkeit der Biosynthese in Polymersomen und erfolgreiche Nachbildung der Biosynthese von ATP bestätigen [Roodbeen & van Hest, 2009]. Veranschaulicht wird dieses Beispiel in der Abbildung 3.

Neben den gerade genannten Beispielen, konnten in Lipid-Vesikeln bereits ebenfalls die enzymatische Synthese von Nukleinsäuren, eine DNA-Amplifikation mittels Polymeraser Kettenreaktion (PCR), die DNA-Replikation mit selbstcodierter Replicase und eine autokatalytische Zuckersynthese durchgeführt werden [Walde, 2010].

Ziele der Protozell-Synthese

In Zukunft sollen die Strukturen und Dynamiken der künstlich erschaffenen Systeme noch komplexer werden. Es soll gelingen eine direkte Verbindung zwischen den Reaktionen im Vesikel und dem Zellwachstum sowie der Zellteilung herzustellen. [Walde, 2010] Die künstlichen Zellen sollen die Fähigkeiten besitzen „sich selbst zu organisieren, zu reparieren und zu vermehren.“ [URL-3]. Die Experimente mit den vesikulären zellnachahmenden Systemen können helfen, die Funktionsweisen, Grundprinzipien und Entstehung lebender Zellen besser zu verstehen. [Walde, 2010] Neben dem Nachentwerfen und Nachbauen von existierenden Zellen ist ein weiteres Ziel aber auch das Erschaffen „von Lebensformen mit Eigenschaften, die man in der Natur nicht findet.“ [URL-1]. Die künstlichen Reaktionssysteme sollen ihre Anwendung zukünftig in der Analytik, Medizin und Biotechnologie finden. Mit ihnen will man organische Komponenten, Medikamente oder Feinchemikalien produzieren oder transformieren. Der Wunsch der Forscher ist es, vesikel-basierte, zellnachahmende biochemische Miniatur-Fabriken zu erschaffen [Walde, 2010; Kleiner et al., 2009; Roodbeen & van Hest, 2009].

Zusammenfassung

Es kann festgehalten werden, dass künstliche Vesikel-Systeme bereits erstaunlich komplex sind, dennoch haben sie noch einen sehr viel einfacheren Aufbau als lebende Zellen und sind noch weit entfernt von diesen. Gelingt es den Forschern eines Tages, eine künstliche Zelle zu synthetisieren, die alle Eigenschaften einer lebenden Zelle besitzt, würde das bedeuten, dass man aus dem ‚Nicht-Lebenden‘ Leben erschaffen kann [Walde, 2010]. Abschließend lässt sich sagen, dass es durchaus realistisch ist, die gesteckten Ziele in der Zukunft zu erreichen [URL-3].  

Quellen

• • URL-1 (Zugriff: 11/12/2012)
  • URL-2 (Zugriff: 11/12/2012)
  • URL-3 (Zugriff: 05/11/2012)
  • Kleiner, Hüttl, Meulen (2009). Synthetische Biologie, Stellungnahme (Zugriff: 03/12/2012)
  • URL-4 (Zugriff: 05/11/12)
  • Roodbeen, R., & van Hest, J. C. M. (2009). Synthetic cells and organelles: compartmentalization strategies. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 31(12), 1299–1308. doi:10.1002/bies.200900106
  • Walde, P. (2010). Building artificial cells and protocell models: experimental approaches with lipid vesicles. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 32(4), 296–303. doi:10.1002/bies.200900141
  • URL-5