Das Versprechen synthetischer Zellen

Seit über einem Jahrzehnt machen Wissenschaftler außergewöhnliche Fortschritte bei der Verwirklichung des lang gehegten Traums, eine ganze Zelle aus nichtlebenden Molekülen und Materialien herzustellen.

Solche synthetischen (oder „konstruiert„) Zellen würden sich ähnlich verhalten wie die in unserem Körper, hätten aber auch eingebaute Schutzmechanismen, die Sicherheit und Ethik gewährleisten. Indem wir sie studieren, könnten wir unser Verständnis der Regeln des Lebens verändern. Sie könnten auch verwendet werden, um lebende Organismen zu manipulieren und erstaunliche Durchbrüche in Medizin und Wissenschaft zu erzielen.

Im Jahr 2010 hat das J. Craig Venter Institute angekündigt Es hatte die erste „selbstreplizierende, synthetische Bakterienzelle“ geschaffen, deren Genom außerhalb der Zelle synthetisiert und dann in sie transplantiert wurde. Anschließend war die Zelle in der Lage, sich gemäß den Anweisungen ihres neuen DNA-Codes zu teilen und zu reproduzieren.

Seitdem sind die Ziele der Forscher immer ehrgeiziger geworden. Sie versuchen, andere Zellkomponenten zu synthetisieren und eine ganze Zelle von Grund auf neu aufzubauen.

„Wir sind näher dran als je zuvor“, sagte Nationales Institut für Standards und Technologie Physikerin Elizabeth A. Strychalski. Das Bestreben, eine synthetische Zelle von Grund auf zu erschaffen, „ist eine Fähigkeit, die, wenn nicht vor unserer Haustür, dann vielleicht, wissen Sie, in unserem Briefkasten liegt.“

Viele der jüngsten Fortschritte beruhen auf technologischen Fortschritten, die die Synthese langer DNA-Stränge im Labor einfacher und billiger gemacht haben.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben auch raffinierte Methoden entwickelt, um Grundversionen von Membranen, Mitochondrien und anderen Zellkomponenten herzustellen. Und mithilfe neuer Techniken, mit denen sie winzige Flüssigkeitsmengen manipulieren können, beginnen sie, diese synthetisierten Zellteile zur Interaktion und Kommunikation zu bringen.

Am NIST trägt Strychalskis Forschungsgruppe dazu bei, die Messungen und Standards zu etablieren, die die Grundlage für weitere Fortschritte in der technischen Biologie (auch synthetische Biologie genannt) bilden.

NIST arbeitet auch mit dem J. Craig Venter Institute an der „minimale Zelle,“ eine abgespeckte synthetische Zelle. Statt mehrerer synthetischer Teile und Komponenten wird nur ihr Genom synthetisiert. Strychalski sagte, die Minimalzelle werde den Forschern helfen, „den heiligen Gral des Verständnisses dessen zu erreichen, was jedes einzelne Gen in der menschlichen Zelle tut.“

Wir sprachen mit ihr über ihre Arbeit und eine aktuelles Papier Sie war Mitautorin von ACS Synthetische Biologie das den Stand der Forschung auf ihrem Gebiet untersucht.

Beginnen wir mit der grundlegendsten Frage. Woher wissen wir, wann wir eine synthetische Zelle von Grund auf neu gebaut haben?

Sie wird wahrscheinlich einige wichtige Eigenschaften haben, wie die Fähigkeit zur Replikation, einen Stoffwechsel und eine Art interne Organisation oder Kompartimentierung. Einige Eigenschaften ergeben sich, wenn man beginnt, die Komponenten einer Zelle zusammenzusetzen, wie die Fähigkeit, auf bestimmte Reize in der Umgebung zu reagieren und die Fähigkeit, sich zu bewegen.

Verlangen wir nun, dass unsere synthetische Zelle alle oder nur einige dieser Eigenschaften besitzt? Das ist noch eine offene Frage und hängt von der Anwendung ab. Aber sicherlich sind dies alles Attribute einer von Grund auf neu konstruierten synthetischen Zelle, die wir letztendlich integrieren möchten.

Wie könnten solche synthetischen Zellen zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden?

Viele Erkrankungen sind auf eine Fehlfunktion der Zellen zurückzuführen.

Nehmen wir also an, wir nehmen Zellen in Kapselform und entwickeln sie so, dass sie erkennen, wenn ein bestimmter Krankheitszustand vorliegt. Es könnte sein, dass Sie durch schädliche Bakterien vergiftet werden oder dass Ihrem Körper die Fähigkeit fehlt, ein bestimmtes Protein zu produzieren.

Die synthetischen Zellen könnten dieses Problem beheben, indem sie beispielsweise die schädlichen Bakterien abtöten oder Ihrem Körper dabei helfen, alle erforderlichen Moleküle zu produzieren, sodass Sie nicht an dieser Krankheit erkranken.

Sie schreiben in Ihrem Zeitschriftenartikel über die Rolle, die synthetische Zellen bei der Weltraumforschung spielen könnten.

Das Spannende am Bau synthetischer Zellen ist, dass wir über die Herstellung synthetischer Zellen oder zellähnlicher Systeme nachdenken können, die viel besser an die Umgebung im Weltraum angepasst sein könnten, sei es in einem Raumschiff oder auf der Oberfläche eines anderen Planeten.

Es gibt auch viele Möglichkeiten, Zellen als Fabriken für die Herstellung von Produkten, Medikamenten, Baumaterialien, Nahrungsmitteln oder was auch immer man in diesen ressourcenbegrenzten Umgebungen benötigt, zu verwenden. Und das Schöne an synthetischen Zellen ist, dass man die Erdoberfläche nicht mit sehr vielen davon verlassen muss, um sie im Weltraum zu züchten, wo man vielleicht eine ganze Menge davon braucht.

Könnten wir Designerzellen oder zellähnliche Systeme synthetisieren, die die biologische Vielfalt über das hinaus erforschen, was derzeit in der Natur existiert?

Wir untersuchen Zellen, wie sie sich auf der Erde entwickelt haben. Wir wissen nicht, wie viel von dem, was wir heute sehen, so entstanden ist, weil es so passieren musste und anders nicht hätte passieren können.

Wie können wir ins Labor gehen, die Uhr zurückdrehen und uns andere Möglichkeiten ansehen?

Beispielsweise bestehen die Nukleinsäuren in der DNA aus vier Basen – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Im Labor können zusätzliche Basen hergestellt werden, die in der Natur nicht vorkommen und die anscheinend genauso gut funktionieren.

Wie können wir Ethik und Sicherheit gewährleisten?

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass jeder ein Mitspracherecht bei der Entwicklung dieser Technologien, ihrer Nutzung und dem Zugriff darauf hat.

Wir haben jetzt die Möglichkeit, Sicherheit einzubauen, anstatt zurückzublicken und zu versuchen, die Sicherheit wiederherzustellen. Daher bin ich ein großer Fan davon, mit einer Sicherheitsmentalität zu beginnen.

Wie können wir beispielsweise sicherstellen, dass synthetische Zellen nicht an anderen Orten wachsen können, als wir es möchten? Können wir „Kill Switches“ in synthetische Zellen einbauen? Wenn sie Ihren Körper verlassen, könnten sie den Temperaturunterschied spüren und eine Stressreaktion in den Zellen auslösen, die zu ihrem Absterben führt.

Darüber hinaus benötigen wir strenge Kontrollmaßnahmen, um sicherzustellen, dass die Personen, die synthetische DNA-Codeschnipsel oder synthetische Zellen bestellen, keine möglicherweise schädlichen Produkte bestellen.

Erzählen Sie uns von der Rolle des NIST in all dem.

Ich denke beim Bau synthetischer Zellen gerne aus der Perspektive der Kontrolle. Forscher versuchen, die Funktion dieser Systeme zu kontrollieren und dabei Sicherheit zu gewährleisten.

Um diese Art der Kontrolle zu haben, müssen wir die Leistung des Systems quantitativ und zuverlässig messen. Wie können wir sonst wissen, dass es seine beabsichtigte Funktion erfüllt?

Und wir denken darüber nach, wie diese synthetischen Zellen Messungen durchführen können. Es geht darum, biomolekulare Schaltkreise zu bauen, um Messungen und sogar Berechnungen in lebenden Systemen durchzuführen.

Was motiviert Sie bei Ihrer Forschung?

Wir befinden uns gerade in einer biotechnologischen Revolution. Wir stehen als Gesellschaft vor echten Problemen, denen wir uns stellen müssen, und wir brauchen Biotechnologien, die uns bei der Lösung dieser Probleme helfen.

Es geht auch um Entdeckungen. Wenn wir erst einmal verstehen, wie man synthetische Zellen von Grund auf aufbaut, können wir besser verstehen, was es bedeutet, ein Mensch zu sein.