Die Schaffung synthetischer Zellen, die die grundlegenden Funktionen des Lebens replizieren könnten, ist eines der ehrgeizigsten wissenschaftlichen Vorhaben der modernen Zeit. Ein Team von Forschern der Universität Groningen, unter der Leitung von Professor Bert Poolman, ist führend in diesem Forschungsbereich. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die Schaffung wesentlicher Zellmodule, die einfachere Versionen von Systemen zur Energieproduktion und Nährstofftransport umfassen, die die grundlegenden Elemente des Lebens sind. Die neuesten Fortschritte auf diesem Gebiet stellen eine Grundlage für den Bau einer synthetischen Zelle dar, die komplexe Funktionen ausführen könnte, die denen lebender Organismen ähneln.

Eines der Hauptziele der Forscher ist es, die komplexen Prozesse, die innerhalb lebender Zellen ablaufen, zu vereinfachen. In echten Zellen nutzen Mitochondrien, die als die „Kraftwerke“ der Zelle bekannt sind, Hunderte von Komponenten, um ADP in ATP umzuwandeln, das Hauptmolekül, das die für das Leben notwendige Energie speichert. Das Team von Poolman hat es geschafft, diesen Prozess erheblich zu vereinfachen, indem es nur fünf Komponenten zur Produktion von ATP verwendet. Ihr System nutzt die Aminosäure Arginin als Energiequelle, was einen entscheidenden Schritt in Richtung Aufbau eines funktionalen Energieproduktionssystems innerhalb synthetischer Zellen darstellt.

Obwohl dieses System mit bestimmten Einschränkungen verbunden ist – beispielsweise kann es nur Arginin als Energiequelle verwenden, während echte Zellen verschiedene Moleküle wie Zucker, Fette und Aminosäuren nutzen – ist es dennoch ein bedeutender Schritt nach vorne im Verständnis der zellulären Energie. Auf diese Weise können Forscher den Energieproduktionsprozess besser kontrollieren und analysieren, was ein wesentlicher Bestandteil des Lebens ist. Die Energieproduktion ist grundlegend für die Aufrechterhaltung grundlegender biologischer Funktionen wie Wachstum, Zellteilung und Proteinsynthese, und das Verständnis dieses Prozesses könnte Türen zu neuen Anwendungen in der Biotechnologie öffnen.

Vereinfachter Nährstofftransport

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Forschung des Teams aus Groningen betrifft den Transport von Nährstoffen. In echten Zellen ist der Nährstofftransport ein äußerst komplexer Prozess, der eine Reihe von Transportproteinen und Enzymen erfordert. Das Team von Poolman hat es geschafft, diesen Prozess zu vereinfachen, indem es kleine Bläschen verwendet, die als Vesikel bezeichnet werden und Nährstoffe aus der Umgebung aufnehmen und für die Energieproduktion nutzen können. Dieses System nutzt ein elektrisches Potential, das die Aufnahme von Nährstoffen wie Laktose ermöglicht, die dann innerhalb des Vesikels in nützliche Moleküle wie Glukose und Galaktose umgewandelt werden. Später wurden Enzyme hinzugefügt, um die weitere Oxidation von Zucker zu erleichtern, was zur Bildung von NADPH führt, einem Molekül, das eine entscheidende Rolle in der Biosynthese und Energieproduktion innerhalb von Zellen spielt.

Dieser Fortschritt ermöglicht den weiteren Bau komplexerer Systeme innerhalb synthetischer Zellen. Durch die Verwendung nur weniger Komponenten hat das Team es geschafft, die komplexen Prozesse, die in lebenden Zellen ablaufen, nachzuahmen, was ein besseres Verständnis dafür ermöglicht, wie Zellen auf grundlegender Ebene funktionieren. Der Transport von Nährstoffen und ihre Umwandlung in Energie sind grundlegende Prozesse im Leben, und durch die Vereinfachung dieser Systeme können Forscher besser analysieren, wie diese Prozesse funktionieren und wie sie kontrolliert werden können.

Weitere Schritte in Richtung synthetisches Leben

Diese Module, obwohl entscheidend, stellen nur einen Teil des Prozesses dar, der erforderlich ist, um eine voll funktionsfähige synthetische Zelle zu schaffen. Damit die Zelle selbstständig wachsen, sich teilen und komplexe Funktionen ausführen kann, ist es notwendig, viele verschiedene Systeme zu integrieren. Das Team von Poolman arbeitet derzeit daran, das System zur Energieproduktion mit anderen Systemen, wie der Zellteilung, zu verknüpfen, um eine Zelle zu schaffen, die autonom funktionieren kann. Das BaSyc-Projekt, an dem sechs Forschungsinstitute beteiligt sind, führt diese Forschungen mit dem Ziel durch, eine Zelle aus unbelebten Komponenten zu schaffen.

Synthetische Zellen werden, wenn sie vollständig entwickelt sind, breite Anwendungen in der Biotechnologie, Medizin und der Entwicklung neuer Biomaterialien haben. Das Verständnis, wie diese Systeme auf grundlegender Ebene funktionieren, wird die Schaffung maßgeschneiderter Zellensysteme ermöglichen, die spezifische Aufgaben erfüllen können, wie z. B. die Medikamentenabgabe oder die Produktion spezifischer Moleküle. Diese Forschungsarbeit liefert auch wichtige Einblicke in die grundlegenden Prinzipien der Biologie und hilft Wissenschaftlern, besser zu verstehen, was das Leben lebendig macht.

Die Zukunft des synthetischen Lebens

Die Finanzierung neuer Forschungen über das EVOLF-Projekt, das eine Finanzierung von 40 Millionen Euro gesichert hat, wird es Wissenschaftlern ermöglichen, ihre Forschungen in den nächsten zehn Jahren fortzusetzen. Ziel dieses Projekts ist es, herauszufinden, wie viele verschiedene Module miteinander verbunden werden können, um eine synthetische Zelle zu schaffen, die autonom funktionieren kann. Dieses Projekt wird nicht nur die Schaffung eines „Lebensplans“ ermöglichen, sondern auch wichtige Einblicke in die grundlegenden biologischen Prozesse geben, die noch nicht ausreichend verstanden sind.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Schaffung synthetischen Lebens ist die Integration verschiedener Systeme in ein kohärentes System. Obwohl das Team von Poolman und ihre Mitarbeiter bereits erhebliche Fortschritte bei der Schaffung vereinfachter Module zur Energieproduktion und zum Nährstofftransport erzielt haben, sind noch viele Forschungen erforderlich, um diese Systeme in eine funktionale Einheit zu verbinden. Trotz der Herausforderungen bringt jeder neue Fortschritt in diesem Bereich neue Erkenntnisse und bringt uns der Schaffung synthetischen Lebens näher.

Die Bedeutung des synthetischen Lebens

Die Schaffung synthetischen Lebens ist nicht nur eine wissenschaftliche Herausforderung; es ist ein Forschungsunternehmen, das tiefgreifende Auswirkungen auf die Zukunft der Menschheit haben könnte. Synthetische Zellen könnten verwendet werden, um grundlegende biologische Prozesse zu studieren, neue Therapien zu entwickeln und Biomaterialien herzustellen. Zum Beispiel könnten Zellen, die in der Lage sind, spezifische Moleküle zu synthetisieren, zur Herstellung von Arzneimitteln oder zur Abgabe therapeutischer Moleküle an gezielte Stellen im Körper eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten synthetische Zellensysteme zur Schaffung neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, wie biokompatiblen Materialien für medizinische Implantate, eingesetzt werden.

Neben praktischen Anwendungen wirft die Schaffung synthetischen Lebens auch wichtige philosophische Fragen zur Natur des Lebens auf. Wenn es möglich ist, Leben aus unbelebten Komponenten zu schaffen, was sagt das über die Definition von Leben aus? Diese Fragen eröffnen neue Diskussionen über die Grenzen von Biologie und Technologie sowie über die Rolle von Wissenschaftlern bei der Schaffung neuer Lebensformen. Synthetisches Leben bringt auch ethische Herausforderungen mit sich, da es die Möglichkeit eröffnet, Organismen mit völlig neuen Eigenschaften und Funktionen zu schaffen.

Quelle: University of Groningen