Künstliche Zelle hergestellt

Dem Prinzip der synthetischen Biologie folgend, fügen Biophysiker einzelne Zellbausteine zu künstlichen biologischen Systemen zusammen. Ziel ist es, ein zellähnliches Modell mit einer biomechanischen Funktion zu verwirklichen, das sich ohne äußeren Einfluss aktiv bewegt oder verformt. Wissenschaftlern um Felix Keber von der TU München ist dies nun gelungen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal „Science“.

Kugelförmige Haupkörper mit stachelartigen Auswüchsen
Minimalmodell für Zellverformungen

In ihrer Studie setzten die Autoren das Modell aus einer Membranhülle, zwei verschiedenen Sorten von Biomolekülen und einer Art Kraftstoff zusammen. Die zweischichtige Hülle, auch als Vesikel bezeichnet, füllten die Wissenschaftler mit Mikrotubuli, einem röhrenförmigen Bestandteil des Zellskeletts. Andere Moleküle agierten als molekulare Motoren: Sie transportieren Zellbausteine entlang der Röhrchen und hielten sie so in Bewegung. Im Experiment ordneten sich die Röhrchen direkt unter der Membran an – in der Struktur eines zweidimensionalen Flüssigkristalls. „Man kann sich diese Flüssigkristallschicht vorstellen wie Baumstämme, die auf einem See treiben“, erklärt Keber. „Wird es zu dicht, ordnen sie sich parallel an und können doch noch aneinander vorbeitreiben.“

Die Röhrchen stellten sich aber an einigen Stellen leicht quer zueinander und dies in einer ganz bestimmten Geometrie. Diese sogenannten Fehlstellen in der Kristallstruktur waren dafür verantwortlich, dass sich die ursprünglich kugelförmige Zellkonstruktion verformte. 

Gab der Vesikel Wasser an seine Umgebung ab, so entstanden aus der überschüssigen Membran sogar stachelförmige Fortsätze, wie sie einige Einzeller zur Fortbewegung nutzen.

 Da nicht jedes Mikrotubuli-Röhrchen durchweg an seiner Kristallposition ruhte, wanderten auch die Fehlstellen – und zwar gleichmäßig zwischen zwei definierten Anordnungen oszillierend. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, physikalische Gesetzmäßigkeiten im periodischen Verhalten der Vesikel zu finden.

Auf deren Grundlage lassen sich wiederum Vorhersagen für andere Systeme treffen.
 Koautor Andreas Bausch, ebenfalls von der TU München, ist überzeugt, „dass das künstlich geschaffene System vollständig physikalisch beschrieben werden kann“. Dadurch ist es „ideal geeignet, um modular die Komplexität zu erhöhen und so kontrolliert zelluläre Prozesse, wie Zellmigration oder Zellteilung, nachzubauen.“