Das Versprechen synthetischer Zellen

Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler außergewöhnliche Fortschritte bei der Verwirklichung ihres lang gehegten Traums gemacht, eine ganze Zelle aus nicht lebenden Molekülen und Materialien zu erschaffen.

Diese synthetischen (oder „modifizierten“) Zellen würden sich genauso verhalten wie die in unserem Körper, hätten aber auch eingebaute Schutzmaßnahmen, die ihre Sicherheit und Ethik gewährleisten. Indem wir sie studieren, könnten wir unser Verständnis der Lebensregeln verändern. Sie könnten auch zur Manipulation lebender Organismen eingesetzt werden und erstaunliche wissenschaftliche und medizinische Fortschritte erzielen.

Im Jahr 2010 gab das J. Craig Venter Institute bekannt, dass es die erste „selbstreplizierende synthetische Bakterienzelle“ geschaffen hatte, die ein Genom enthielt, das außerhalb der Zelle synthetisiert und dann in diese transplantiert wurde. Anschließend war es in der Lage, sich gemäß den Anweisungen seines neuen DNA-Codes zu teilen und zu vermehren.

Seitdem sind die Forscher immer ehrgeiziger geworden und versuchen, andere Zellbestandteile zu synthetisieren und eine ganze Zelle von Grund auf aufzubauen.

„Wir waren dem Ziel noch nie näher“, sagte Elizabeth A. Strychalski, Physikerin am National Institute of Standards and Technology. Das Bestreben, eine synthetische Zelle von Grund auf zu erschaffen, „ist eine Fähigkeit, die nicht vor unserer Haustür liegt, zumindest nicht in unserem Briefkasten.“

Ein Großteil der jüngsten Fortschritte beruht auf technologischen Fortschritten, die es einfacher und kostengünstiger gemacht haben, lange DNA-Stränge im Labor zu synthetisieren.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben außerdem ausgeklügelte Methoden entwickelt, um Grundversionen von Membranen, Mitochondrien und anderen Zellbestandteilen herzustellen. Und mithilfe neuer Techniken, die es ihnen ermöglichen, winzige Flüssigkeitsmengen zu manipulieren, beginnen sie, diese synthetisierten Zellteile zur Interaktion und Kommunikation zu bringen.

Am NIST hilft Strychalskis Forschungsgruppe dabei, die grundlegenden Maßstäbe und Standards für weitere Fortschritte in der Ingenieurbiologie (auch synthetische Biologie genannt) festzulegen.

NIST arbeitet außerdem mit dem J. Craig Venter Institute an der „Minimalzelle“, einer vereinfachten synthetischen Zelle. Anstelle mehrerer synthetischer Teile und Komponenten wird nur sein Genom synthetisiert. Laut Strychalski wird die Minimalzelle den Forschern helfen, „den heiligen Gral des Verständnisses der Rolle jedes Gens in der menschlichen Zelle“ zu erreichen.

Wir haben mit ihr über ihre Arbeit und einen aktuellen Artikel gesprochen, an dem sie als Mitautorin beteiligt war ACS Synthetische Biologie die den Stand der Forschung auf ihrem Gebiet untersucht.

Beginnen wir mit der grundlegendsten Frage: Woher wissen wir, dass wir eine synthetische Zelle von Grund auf gebaut haben?

Es ist wahrscheinlich, dass eine Zelle über wichtige Eigenschaften verfügt, wie etwa die Fähigkeit zur Replikation, den Stoffwechsel und eine Form der inneren Organisation oder Kompartimentierung. Bestimmte Eigenschaften zeigen sich, wenn man beginnt, die Bestandteile einer Zelle zusammenzusetzen, etwa die Fähigkeit, auf bestimmte Arten von Reizen in der Umgebung zu reagieren und die Fähigkeit, sich zu bewegen.

Werden wir nun verlangen, dass unsere synthetische Zelle alle diese Eigenschaften hat oder nur einige davon? Dies ist noch eine offene Frage und wird von der Anwendung abhängen. Aber sicherlich sind dies alles Attribute einer von Grund auf neu gebauten synthetischen Zelle, die wir irgendwann integrieren möchten.

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

Viele der Krankheiten, die Menschen betreffen, sind auf Zellen zurückzuführen, die nicht richtig funktionieren.

Angenommen, die Zellen werden in Kapselform eingenommen und wir haben sie so konzipiert, dass sie einen bestimmten Krankheitszustand erkennen. Möglicherweise sind Sie durch schädliche Bakterien vergiftet oder Ihr Körper ist möglicherweise nicht in der Lage, ein bestimmtes Protein zu produzieren.

Synthetische Zellen könnten dieses Problem lösen, indem sie möglicherweise diese schädlichen Bakterien abtöten oder Ihrem Körper dabei helfen, alle Moleküle herzustellen, die er herstellen soll, damit Sie nicht an dieser Krankheit erkranken.

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

Einer der aufregenden Aspekte beim Bau synthetischer Zellen besteht darin, dass wir darüber nachdenken können, synthetische Zellen oder zellähnliche Systeme herzustellen, die sich möglicherweise viel besser für eine Weltraumumgebung eignen, sei es in einem Raumschiff oder auf der Oberfläche eines anderen Planeten.

Es gibt auch viele Möglichkeiten, Zellen als Fabriken zur Herstellung von Produkten, Medikamenten, Baumaterialien, Lebensmitteln oder allem anderen zu nutzen, was in diesen ressourcenbeschränkten Umgebungen benötigt werden könnte. Und das Schöne an synthetischen Zellen ist, dass man nicht viele Zellen von der Erdoberfläche zurücklassen muss, um sie im Weltraum wachsen zu lassen, wo man vielleicht viele davon haben möchte.

Könnten wir manipulierte Zellen oder zellähnliche Systeme synthetisieren, die eine biologische Vielfalt erforschen würden, die über das hinausgeht, was derzeit in der Natur existiert?

Wissen Sie, wir untersuchen Zellen, wie sie sich auf der Erde entwickeln. Wir wissen nicht, wie viel von dem, was wir heute sehen, darauf zurückzuführen ist, denn es musste so passieren und hätte nicht anders passieren können.

Wie können wir das Labor betreten, in die Vergangenheit reisen und andere Möglichkeiten in Betracht ziehen?

Beispielsweise bestehen die Nukleinsäuren in der DNA aus vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Es ist möglich, im Labor zusätzliche Basen herzustellen, die wir in der Natur nicht finden und die anscheinend genauso gut funktionieren.

Wie können wir Ethik und Sicherheit gewährleisten?

Es ist wichtig, dass jeder ein Mitspracherecht darüber hat, wie wir diese Technologien entwickeln, wie wir sie nutzen und wer Zugriff darauf hat.

Wir haben jetzt die Möglichkeit, die Sicherheit zu stärken, anstatt zurückzublicken und zu versuchen, sie wiederherzustellen. Deshalb bin ich ein großer Verfechter davon, mit einer Sicherheitsmentalität zu beginnen.

Wie können wir beispielsweise sicherstellen, dass synthetische Zellen nicht außerhalb des gewünschten Standorts wachsen können? Können wir „Aus-Schalter“ in synthetische Zellen einbauen? Wenn sie Ihren Körper verlassen, können sie den Temperaturunterschied spüren und eine Stressreaktion in den Zellen auslösen, die zum Absterben der Zellen führt.

Außerdem brauchen wir strenge Kontrollmaßnahmen, um sicherzustellen, dass Menschen, die synthetische DNA-Code-Extrakte oder synthetische Zellen bestellen, keine Produkte bestellen, die schädlich sein könnten.

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

Ich denke gerne über den Bau synthetischer Zellen aus einer Kontrollperspektive nach. Forscher versuchen, die Funktionsweise dieser Systeme zu kontrollieren und dies sicher zu tun.

Um diese Art der Kontrolle zu erreichen, müssen wir quantitativ und mit Sicherheit messen, was das System tut. Wie sonst würden wir wissen, dass es seine beabsichtigte Funktion erfüllt hat?

Wir denken darüber nach, wie diese synthetischen Zellen diese Messungen durchführen können. Dabei geht es um den Aufbau biomolekularer Schaltkreise, um Messungen und sogar Berechnungen in lebenden Systemen durchzuführen.

Was motiviert Sie bei Ihrer Forschung?

Wir erleben derzeit eine biotechnologische Revolution. Wir haben als Gesellschaft echte Probleme, mit denen wir konfrontiert sind, und wir brauchen die Biotechnologie, die uns bei der Lösung dieser Probleme hilft.

Es geht auch ums Entdecken. Sobald wir verstehen, wie man synthetische Zellen von Grund auf baut, werden wir besser verstehen können, was es bedeutet, ein Mensch zu sein.