Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, künstliche Zellen herzustellen, die sich wie lebende Organismen verhalten können. Forschern der Technischen Universität München ist es nun erstmals gelungen, derartige Zellverbände, zumindest teilweise, zu erzeugen.

Prof. Dr. Friedrich Simmel, Professor für die Physik Synthetischer Biosysteme an der TU München, und die Doktorandin Aurore Dupin arbeiten laut Simmel „an ähnlichen Themen seit etwa sechs oder sieben Jahren. An dem konkreten Projekt hat Aurore Dupin ungefähr drei Jahre gearbeitet.“ Allerdings schränkt er gleichzeitig den Begriff „künstliche Zellen“ ein. „Ich muss gestehen, dass in unserem Arbeitsgebiet der Begriff ‚künstliche Zellen‘ etwas salopp benutzt wird, und tatsächlich bislang keiner Systeme geschaffen hat, die sich verhalten wie lebende Zellen – es werden immer nur Teilaspekte nachempfunden …“

Bei den künstlichen Zellverbänden, die Simmel und Dupin im Rahmen ihrer Forschung erzeugen konnten, sind die Zellen durch Fettmembranen getrennt, können aber kleine chemische Signalmoleküle austauschen und dabei komplexere Reaktionen wie Herstellung von RNA oder Eiweißen auslösen.

„Unser System ist ein erster Schritt hin zu gewebeähnlichen, synthetischen biologischen Materialien, die komplexes raumzeitliches Verhalten zeigen und in denen sich einzelne Zellen ähnlich wie biologischen Organismen spezialisieren oder ausdifferenzieren könnten“, erklärt Simmel. „Das heißt, dass die Systeme sich mit der Zeit verändern, und dies aber auch an verschiedenen Orten unterschiedlich ist. Das Vorbild für solche Systeme sind sich entwickelnde Organismen, in denen Zellen mit der Zeit bestimmte Aufgaben übernehmen und sich ‚ausdifferenzieren‘.“

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In den roten Tröpfchen befinden sich Signalmoleküle, die in die künstlichen Zellkompartimente rechts daneben hineindiffundieren und dort eine grüne Fluoreszenz auslösen. (Bild: A. Dupin / TUM)

Signalaustausch und räumliche Differenzierung der Zellen

Um die Zellstrukturen zu erzeugen, nutzen die Wissenschaftler Emulsionströpfchen, die von einer Lipidmembran umschlossen waren, und bauten diese zunächst zu „Mikro-Geweben“, d.h. künstlichen mehrzelligen Strukturen, zusammen. Dabei stellten sie fest, dass die Zellen eine Art Genexpression haben. Die biochemischen Reaktionslösungen in den Tröpfchen waren nämlich in der Lage, RNA (Ribonukleinsäure) oder Proteine herzustellen.

Darüber hinaus war auch ein Austausch von kleinen „Signalmolekülen“ über die Membranen oder über in die Membranen eingebaute Proteinkanäle zwischen den Zellen möglich. Damit ließen diese sich zeitlich und räumlich miteinander koppeln und die Systeme wurden dynamisch – wie im realen Leben. Dabei liefen chemische Pulse durch den Zellverband und trugen Informationen weiter, wobei sich die Signale auch als Auslöser nutzen ließen, damit sich ursprünglich identische Zellen unterschiedlich entwickelten.

„Unser System ist das erste Beispiel eines multizellulären Systems, in dem künstliche Zellen mit Genexpression eine feste Anordnung haben und über chemische Signale miteinander gekoppelt sind. Auf diesem Wege erreichen wir damit eine Form der räumlichen Differenzierung“, sagt Simmel.

Forschung mit Modulbaukasten

Derartige synthetische Systeme zu entwickeln sei wichtig, weil sie ein Studium grundlegender Fragen nach dem Ursprung des Lebens im Modell erlauben, erklären die Forscher, denn komplexere Organismen seien erst möglich gewesen, als sich Zellen spezialisieren und die Arbeit zwischen kooperierenden Zellen aufteilen konnten. Mehr noch als Antworten auf Fragen nach dem Ursprung des Lebens zu finden, könnten solche Systeme für neue Technologien wie zum Beispiel Robotik genutzt werden.

„Möglicherweise sind solche Systeme eher relevant für die Entwicklung von neuen Materialien und biomimetischen Robotiksystemen als für die Frage nach dem Ursprung des Lebens. In unserem Fall benutzen wir ja lauter moderne (also bereits evolvierte) biochemische Komponenten, die es beim Ursprung des Lebens noch gar nicht gab“, gibt Simmel zu. „Unsere Forschung zielt eher dahin ab, ‚technische Systeme‘ mit biologischen Komponenten zu bauen, die gewisse Eigenschaften lebender Systeme haben – also z.B. die Fähigkeit, sich an ihre Umgebung anzupassen, oder auf Umweltreize zu reagieren.“

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Signalmoleküle (blau) verbreiten sich im künstlichen Zellverband und ermöglichen eine Kommunikation durch die Membranen hindurch. (Bild: A. Dupin / TUM)

In Zukunft wollen die Wissenschaftler mit einer Art Modulbaukasten maßgeschneiderter Zellsysteme verschiedene Eigenschaften biologischer Systeme nachbilden. „Am liebsten hätten wir (ähnlich wie bei Robotiksystemen), Zellen, die ihre Umgebung wahrnehmen können (also Sensoren), Zellen, die einfache Entscheidungen treffen können (also sozusagen Computer), und solche, die etwas produzieren können“, beschreibt Simmel den Inhalt eines idealen Modulbaukastens. „Dazu braucht man dann noch Helferzellen, die z.B. Aufgaben wie Signalübertragung oder Energieversorgung übernehmen könnten … Hierfür gibt es jeweils Entsprechungen in lebenden Systemen, aber bislang ist die Integration dieser Komponenten in ein einzelnes System nicht gelungen. Unsere Arbeit ist nur ein ganz kleiner Schritt in diese Richtung.“

So sollen Zellen dann auf ihre Umgebung reagieren und eigenständig handeln lernen, und auch erste Anwendungen scheinen möglich zu sein: Langfristig lassen sich die künstlichen Zellverbände nämlich als Minifabriken einsetzen, um gezielt Biomoleküle zu produzieren, oder als winzige Sensoren in der Mikrorobotik, die Informationen verarbeiten und sich an ihre Umgebung anpassen können.

Künftiger Nutzen auch in der Medizin?

Nun drängt sich bei dem Gedanken an künstliche, intelligente Zellen natürlich der Gedanke auf, ob solche Zellen nicht auch in der Medizin genutzt werden können, zum Beispiel um Krankheiten zu heilen wie Neurodermitis oder auch Narben nach Verletzungen? Vielleicht sogar, um Krebszellen zu bekämpfen?

„Speziell unser System ist für so etwas eher nicht geeignet, da es relativ groß ist und die Zellen alle zusammenkleben (und im Moment nicht in biologischer Umgebung stabil wären)“, macht Professor Simmel klar. „Aber grundsätzlich ist das natürlich schon eine Vision für (andere Typen von) ‚künstlichen Zellen‘ – hier würde man andere Membranen/Kompartimente verwenden und versuchen, diese mit entsprechenden Zelloberflächenmerkmalen interagieren zu lassen.“

Titelbild: Erstautorin Aurore Dupin und Prof. Friedrich Simmel am Fluoreszenzmikroskop. (Bild: U. Benz / TUM)

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