Team entwickelt erstes zellfreies System, in dem Erbinformation und Stoffwechsel zusammenarbeiten

Die Fähigkeit aller lebenden Systeme, sich zu entwickeln, zu organisieren und zu erhalten, basiert auf einem zyklischen Prozess, bei dem Gene und Stoffwechsel parallel interagieren. Während die Gene die Komponenten des Stoffwechsels kodieren, liefert der Stoffwechsel die Energie und Bausteine, um genetische Informationen zu erhalten und zu verarbeiten.

In der synthetischen Biologie erforschen Forscher die Prinzipien des Lebens, indem sie dessen Systeme von Grund auf neu konstruieren, ausgehend von der minimal erforderlichen Anzahl an Teilen. In den letzten Jahren hat dieser Ansatz es möglich gemacht, komplexe Stoffwechselnetzwerke und zellfreie genetische Systeme außerhalb der Zellumgebung – in vitro – zu entwickeln, beispielsweise in Mikrofluidkammern.

Gemeinsam ist diesen Ansätzen, dass alle in diesen Systemen funktionierenden Biokatalysatoren von außen zugeführt werden und der gesamte Prozess nur so lange weiterläuft, wie ihm kontinuierlich neue Bausteine, Informationen und Energie zugeführt werden.

Durch die Verknüpfung der Stoffwechsel- und Genebene wollen Forscher selbsterhaltende synthetische biologische Systeme schaffen, die ihre eigenen Bausteine ​​herstellen und wechselseitig Prozesse antreiben können – genau wie in lebenden Zellen. Einem Team um Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg ist dieses Ziel nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Das Team hat das erste zellfreie System entwickelt, in dem sich ein genetisches und ein metabolisches Netzwerk gegenseitig am Laufen halten. Das System produziert selbst Stoffwechselenzyme und funktioniert sowohl im Reagenzglas als auch in künstlichen Zellnachahmungen. Es basiert auf dem synthetischen Cetch-Zyklus, einem metabolischen Netzwerk, das CO2 als Rohstoff zur Herstellung organischer Moleküle nutzt.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Wissenschaft.

Der Trick: Interdependenz

„Wir haben den Cetch-Zyklus mit einem bestehenden genetischen System namens Pure gekoppelt, einer synthetischen Transkriptions- und Translationsmaschine, die mit einer Mischung aus Ribosomen, DNA, RNAs und Proteinen außerhalb lebender Zellen arbeitet. Wir haben die beiden Ebenen so konstruiert, dass sie wie ein Motor zusammenarbeiten. Einmal gestartet, läuft er immer weiter, weil sich die beiden Netzwerke gegenseitig speisen“, erklärt Simone Giaveri, EMBO-Stipendiat und Erstautor der Studie.

Damit das klappt, haben die Forscher die Komponenten voneinander abhängig gemacht. Sie haben Pure so programmiert, dass es zwei der Cetch-Enzyme produziert. Dieser Pure-Variante fehlt allerdings die essentielle Aminosäure Glycin, die zum Aufbau von Proteinen benötigt wird. Cetch wurde so modifiziert, dass es Glycin direkt aus CO2 produziert. Da Pure das Glycin von Cetch bezieht, ist der Kreislauf geschlossen.

Um zu beweisen, dass ihr Ansatz funktioniert, fügten die Forscher Pure zunächst Glycin hinzu, das die Information zur Herstellung eines fluoreszierenden Proteins enthielt. Dessen Leuchten zeigte die gewünschte Aktivität des genetischen Netzwerks an. Der nächste Schritt war die Einführung des synthetischen Cetch-Zyklus. Sobald dieser synthetische Weg eingeführt war, war das gekoppelte System in der Lage, das Glycin selbst zu produzieren – und damit zwei Proteine ​​des Cetch sowie das fluoreszierende Protein.

Von den über 50 Proteinen im System produziert das System nur zwei selbst. Doch das ist alles, was benötigt wird, um den Synthesezyklus voranzutreiben.

„Ohne die genetische Komponente und die gegenseitige Rückkopplung würde der Zyklus nur weniger als eine Stunde laufen. Die Tatsache, dass es eine Selbstregeneration gibt, bedeutet, dass er mindestens zwölf Stunden dauert, bevor das System aus verschiedenen Gründen stoppt, zum Beispiel weil Komponenten versagen oder sich Nebenprodukte zu stark ansammeln“, erklärt Giaveri. „Man muss es mit einer minimalen Menge Glycin starten und es wird weiterlaufen.“

Die meisten Elemente des synthetischen Stoffwechsels werden weiterhin von außen bereitgestellt.

„Von einem System, das alle seine Komponenten selbst regenerieren kann, sind wir noch weit entfernt“, sagt Erb. Dazu müssten komplette Stoffwechselnetzwerke kodiert werden, Selbstreparaturprogramme, um die Lebensdauer von In-vitro-Systemen zu verlängern, sowie biochemische Recyclingkreisläufe integriert werden.

„Bisher ist es uns nur gelungen, einen Baustein herzustellen, und wir sind noch weit davon entfernt, alle Bausteine ​​aus CO2 herstellen zu können. Wir haben jedoch ein grundlegendes Betriebssystem entwickelt, das von zukünftigen Entwicklungen auf diesem schnelllebigen Forschungsgebiet profitieren wird. Wenn man noch weiter in die Zukunft blickt, kann man sich vorstellen, dass wir ein solches System in Zukunft mit Licht oder sogar nachhaltigem Strom betreiben können.“

Ein Basisbetriebssystem für zukünftige nachhaltige Systeme

Die Orchestrierung von mehr als 50 Proteinen, Energiequellen, genetischen Informationen und Bausteinen ist das Ergebnis einer enormen Zahl von Experimenten, in denen Giaveri Kombinationen parallel testete und optimierte. Jedes Element in Giaveris hochkomplexem System ist präzise auf seinen Zweck ausgelegt.

„Man kann unser System als Betriebseinheit, als Grundmotor für In-vitro-Systeme verwenden“, sagt Erb. „Und weil es auf CO2 basiert, wäre das auf völlig nachhaltige Weise möglich, denn dieser Rohstoff ist praktisch unbegrenzt verfügbar.“