Ein weiterer Schritt in Richtung synthetischer Zellen

Der Aufbau funktionsfähiger synthetischer Zellen von unten nach oben ist eine ständige Anstrengung von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Ihre Verwendung bei der Untersuchung zellulärer Mechanismen in einem stark kontrollierten und vordefinierten Umfeld schafft einen großen Wert für das Verständnis der Natur sowie für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze. Wissenschaftlern des 2. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart und Kollegen des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung gelang nun der nächste Schritt in Richtung synthetischer Zellen.

Sie führten funktionelle DNA-basierte Zytoskelette in zellgroße Kompartimente ein. Zytoskelette sind wesentliche Bestandteile jeder Zelle, die ihre Form, innere Organisation und andere lebenswichtige Funktionen wie den Transport von Molekülen zwischen verschiedenen Teilen der Zelle steuern. Beim Einbau der Zytoskelette in die synthetischen Tröpfchen zeigten die Forscher auch die Funktionalität, einschließlich des Transports von Molekülen oder des Zusammenbaus und Zerlegens bei bestimmten Auslösern. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturchemie.

Herausforderung zur Nachahmung von Zytoskelettfunktionen

Das Zytoskelett ist ein entscheidender Bestandteil jeder Zelle und besteht aus verschiedenen Proteinen. Neben der grundlegenden Funktion, der Zelle ihre Form zu geben, ist es für viele zelluläre Prozesse wie die Zellteilung, den intrazellulären Transport verschiedener Moleküle und die Beweglichkeit als Reaktion auf externe Signale unerlässlich. Aufgrund seiner Bedeutung in natürlichen Systemen ist die Möglichkeit, seine Funktionalität in einem künstlichen Aufbau nachzuahmen, ein wichtiger Schritt zum Bau und Design einer synthetischen Zelle. Aufgrund seiner vielfältigen Anforderungen, darunter Stabilität sowie schnelle Anpassungsfähigkeit und Reaktionsfähigkeit auf Trigger, ist es jedoch mit vielen Herausforderungen verbunden.

Forscher auf dem Gebiet der synthetischen Biologie haben zuvor die DNA-Nanotechnologie verwendet, um zelluläre Komponenten wie DNA-basierte Nachahmungen von Ionenkanälen oder Zell-Zell-Linker nachzubilden. Dazu nutzen sie die Tatsache, dass DNA so programmiert oder konstruiert werden kann, dass sie sich durch komplementäre Basenpaarung selbst in eine vorgeplante Form zusammenfügt.

DNA-Filamente als synthetisches Zytoskelett

„Synthetische DNA-Strukturen können hochspezifische und programmierte Aufgaben sowie vielseitige Designmöglichkeiten ermöglichen, die über das hinausgehen, was von den biologisch definierten Werkzeugen verfügbar ist. Insbesondere die strukturelle Organisation der DNA-Strukturen kann von ihren natürlichen Gegenstücken abweichen und möglicherweise sogar den Funktionsumfang übersteigen natürlichen Systemen“, sagt Laura Na Liu, Professorin am 2. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart.

Darüber hinaus war es den Forschern Paul Rothemund, Elisa Franco und Rebecca Schulman bereits gelungen, DNA zu mikrometergroßen Filamenten zusammenzusetzen, die die Grundlage für den Aufbau eines Zytoskeletts bilden. Seitdem sind diese Filamente mit diversen Funktionen ausgestattet, wie zum Beispiel dem Auf- und Abbau bei äußerer Stimulation oder in einem Kompartiment. Wissenschaftlern der Universität Stuttgart und des MPI für medizinische Forschung ist nun der nächste Schritt zum Bau einer künstlichen Zelle gelungen, indem sie die Filamente als synthetisches Zytoskelett nutzen und ihnen vielfältige Funktionen verleihen.

„Es ist spannend, dass wir auch den Zusammenbau des DNA-Zytoskeletts mit ATP auslösen können – dasselbe Molekül, das Zellen verwenden, um verschiedene Mechanismen anzutreiben“, sagt Kerstin Göpfrich, Max-Planck-Forschungsgruppenleiterin am MPI für medizinische Forschung.

Beschleunigung des Vesikeltransports

Darüber hinaus konnte das Wissenschaftlerteam mithilfe des von Khalid Salaita eingeführten Burnt-Bridge-Mechanismus den Transport von Vesikeln entlang der Filamente induzieren. Dies ahmt den Vesikeltransport entlang von Teilen des natürlichen Zytoskeletts in Zellen, den sogenannten Mikrotubuli, nach. „Im Vergleich zum Transport in lebenden Zellen ist der Transport entlang unserer DNA-Filamente noch langsam. Ihn zu beschleunigen, wird eine Herausforderung für die Zukunft sein“, sagt Kevin Jahnke, gemeinsamer Erstautor der Arbeit und Postdoc in der Gruppe von Kerstin Göpfrich am MPIMR.

Pengfei Zhan, Postdoc in der Gruppe von Prof. Laura Na Liu in Stuttgart, fügt hinzu: „Es war auch eine Herausforderung, die Energielandschaften der Auf- und Abbaufähigkeiten der Filamente der DNA-Nanostruktur fein abzustimmen.“ In Zukunft wird eine noch stärkere Funktionalisierung der DNA-Filamente entscheidend sein, um natürliche Zellen noch besser nachzuahmen. Dadurch könnten Forscher synthetische Zellen herstellen, um zelluläre Mechanismen genauer zu untersuchen oder neue Therapieansätze zu entwickeln.