Es waren nur acht Zutaten: zwei Proteine, drei Puffermittel, zwei Arten von Fettmolekülen und etwas chemische Energie. Aber das reichte aus, um eine Flotte hüpfender, pulsierender Kleckse zu schaffen – rudimentäre zellähnliche Strukturen mit einigen der notwendigen Maschinen, um sich selbst zu teilen.

Für die Biophysikerin Petra Schwille sind die tanzenden Kreationen in ihrem Labor ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer synthetischen Zelle von Grund auf, an der sie seit zehn Jahren arbeitet, zuletzt am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, Deutschland.

“Mich hat schon immer die Frage fasziniert: ‘Was unterscheidet Leben von nicht-lebender Materie?'”, sagt sie. Die Herausforderung besteht laut Schwille darin, herauszufinden, welche Komponenten nötig sind, um ein lebendes System zu bilden. In ihrer perfekten synthetischen Zelle würde sie jeden einzelnen Faktor kennen, der sie zum Ticken bringt.

Forscher versuchen seit mehr als 20 Jahren, künstliche Zellen zu schaffen – indem sie Biomoleküle genau im richtigen Kontext zusammensetzen, um verschiedene Aspekte des Lebens zu simulieren. Obwohl es viele solcher Aspekte gibt, lassen sie sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen: die Kompartimentierung oder die räumliche Trennung von Biomolekülen; der Stoffwechsel, die Biochemie, die das Leben erhält; und die Informationskontrolle, die Speicherung und Verwaltung der zellulären Anweisungen.

Das Arbeitstempo hat sich beschleunigt, was zum Teil den jüngsten Fortschritten in der Mikrofluidik zu verdanken ist, die es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Bewegungen winziger zellulärer Komponenten zu koordinieren. Forschungsgruppen haben bereits Wege gefunden, zellähnliche Klumpen in die gewünschte Form zu bringen, rudimentäre Versionen des Zellstoffwechsels zu schaffen und handgefertigte Genome in lebende Zellen zu transplantieren. Aber all diese Elemente zusammenzubringen, bleibt eine Herausforderung.

Das Feld ist jedoch von einer neuen Aufbruchstimmung geprägt. Im September 2017 schlossen sich Forscher aus 17 niederländischen Labors zur Gruppe Building a Synthetic Cell (BaSyC) zusammen, deren Ziel es ist, innerhalb von zehn Jahren ein “zellähnliches, wachsendes und sich teilendes System” zu konstruieren, so die Biophysikerin Marileen Dogterom, die BaSyC und ein Labor an der Technischen Universität Delft leitet. Das Projekt wird durch einen Zuschuss der niederländischen Gravitation in Höhe von 18,8 Mio. € (21,3 Mio. US$) gefördert.

Im September kündigte die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) ihr erstes Programm für synthetische Zellen an, das mit 10 Mio. $ gefördert wird. Und mehrere europäische Forscher, darunter Schwille, haben den Bau einer synthetischen Zelle als eines der Vorzeigeprogramme der Europäischen Kommission für künftige und neu entstehende Technologien vorgeschlagen, die mit 1 Mrd. € gefördert werden.

Synthetische Biologen sagen voraus, dass die ersten vollständig künstlichen Zellen in etwas mehr als einem Jahrzehnt zum Leben erwachen könnten. “Ich bin mir ziemlich sicher, dass wir es schaffen werden”, sagt Schwille.

Alles eine Frage der Verpackung

Forschungsgruppen haben große Fortschritte bei der Nachbildung verschiedener Aspekte des zellähnlichen Lebens gemacht, insbesondere bei der Nachahmung der Membranen, die Zellen umgeben und die internen Komponenten aufteilen. Das liegt daran, dass die Organisation von Molekülen der Schlüssel dazu ist, dass sie zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zusammenarbeiten. Man kann zwar eine Milliarde Bakterien öffnen und den Inhalt in ein Reagenzglas schütten, aber die biologischen Prozesse würden nicht lange andauern. Einige Komponenten müssen auseinandergehalten und andere zusammengebracht werden.

“Für mich geht es um die Soziologie der Moleküle”, sagt Cees Dekker, ein Biophysiker, der ebenfalls an der Technischen Universität Delft arbeitet.

In den meisten Fällen bedeutet dies, Biomoleküle auf oder in Lipidmembranen zu organisieren. Schwille und ihr Team sind erfahrene Membranverdreher. Vor etwa einem Jahrzehnt begann das Team damit, Min-Proteine, die die Teilungsmaschinerie einer Bakterienzelle steuern, auf künstlichen Membranen aus Lipiden zu platzieren. Die Forscher fanden heraus, dass die Mins auf den Membranen auf- und absprangen und sie zum Wogen und Wirbeln brachten1. Aber als sie die Mins zu 3D-Kugeln aus Lipiden hinzufügten, platzten die Strukturen wie Seifenblasen, sagt Schwille. Ihre Gruppe und andere haben dieses Problem mit Hilfe mikrofluidischer Techniken überwunden, um zellgroße Membranbehälter oder Liposomen zu konstruieren, die mehrere Einfügungen von Proteinen tolerieren können – entweder in die Membranen selbst oder in das Innere.

Schwilles Doktorand Thomas Litschel und seine Mitarbeiter lösten die Min-Proteine in Wasser auf und ließen Tropfen der Mischung in ein sich schnell drehendes Reagenzglas fallen. Die Zentrifugalkraft zieht die Tröpfchen durch Schichten dichter Lipide, die sie auf ihrem Weg einkapseln. Am anderen Ende kommen sie als Liposomen mit einem Durchmesser von 10-20 Mikrometern heraus – etwa so groß wie eine durchschnittliche Pflanzen- oder Tierzelle. Diese Liposomen, die als riesige unilamellare Vesikel (GUVs) bekannt sind, können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, aber in Litschels Händen bewirkten die Min-Proteine, dass die GUVs pulsierten, herumtanzten und sich in der Mitte zusammenzogen2.

Schwilles Gruppe will aus ihrem Wissen über diese Proteine, die Membranmuster erzeugen und sich selbst organisieren können, Kapital schlagen. “Wir verstehen diese Moleküle sehr gut”, sagt sie. “Wir würden gerne sehen, wie weit wir mit relativ einfachen Elementen wie den Mins kommen können. Wie Litschels Arbeit andeutet, könnte das Team die Proteine vielleicht dazu verwenden, Membranen für die Teilung zu formen oder Komponenten an einem Ende einer synthetischen Zelle zu sammeln. So wie manche Physiker Klebeband und Alufolie verwenden, um ihre Experimente zu verfeinern, hofft Schwille, dass diese praktischen biologischen Moleküle ihr die Möglichkeit geben werden, an zellähnlichen Strukturen zu basteln: “Ich bin Experimentatorin bis in die Knochen.”

Dekkers Teammitglieder haben auch Liposomen mit ihren Lieblingsproteinen gefüllt und dabei einen Mikrofluidik-Chip verwendet (siehe “Die Blasenmaschinen”). Auf dem Chip laufen zwei Kanäle, die Lipidmoleküle enthalten, in einem mit Wasser gefüllten Kanal zusammen und spucken zellgroße Liposomen aus, die verschiedene biologische Moleküle enthalten können, die entweder durch die Membran gesteckt werden oder frei im Inneren des Behälters schwimmen3.

Seine Gruppe hat damit experimentiert, die Liposomen unter Druck zu setzen, zu verformen und umzuformen, damit sie eine nicht kugelförmige Form annehmen, die Zellen besser nachahmt. Mikrofluidische Geräte geben den Forschern mehr Kontrolle über die Bewegung, Sortierung und Manipulation von Liposomen mit Hilfe von Mikrokanälen, die fast wie Schaltkreise funktionieren. In diesem Jahr hat das Dekker-Labor einen Chip entwickelt, der ein Liposom mechanisch in zwei Teile spalten kann, indem er es gegen eine scharfe Spitze drückt4.

“Das ist natürlich nicht das, was wir wollen – wir wollen die Teilung von innen zeigen, aber es liefert uns trotzdem interessante Informationen”, sagt Dekker. Beispiele sind die Kraft, die nötig ist, um eine Zelle zu teilen, und die Art der physikalischen Manipulation, die die Liposomen vertragen. In diesem Sinne hat sein Team auch mit der Form lebender Escherichia coli-Zellen gespielt und sie breiter oder quadratischer gemacht, indem es sie in nanofabrizierten Silikonkammern wachsen ließ. Auf diese Weise können die Teammitglieder sehen, wie sich die Zellform auf die Teilungsmaschinerie auswirkt, und beurteilen, wie die Min-Proteine in Zellen unterschiedlicher Größe und Form funktionieren5.

“Wir spielen mit Nanofabrikationstechniken und tun Dinge, die ein normaler Zellbiologe nie tun würde”, sagt er. “Aber ein seltsamer Biophysiker wie ich kann das tun.”

Energie dem System hinzufügen

Nun, da es möglich ist, Komponenten zu den Liposomenblasen hinzuzufügen, ohne sie platzen zu lassen, können die Gruppen planen, wie die Moleküle zusammenarbeiten sollen. Fast alles, was wie Leben aussieht, benötigt zelluläre Energie, normalerweise in Form von ATP. Und obwohl diese von außen zugeführt werden kann, um ein synthetisches System zu speisen, argumentieren viele Biologen, die an Bottom-up-Ansätzen arbeiten, dass eine echte synthetische Zelle ihr eigenes Kraftwerk haben sollte, etwas Ähnliches wie das Mitochondrium einer tierischen Zelle oder der Chloroplast einer Pflanze, die beide ATP herstellen.

Die Gruppe von Joachim Spatz am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg hat ein rudimentäres Mitochondrium gebaut, das ATP in einem Vesikel erzeugen kann.

Um dies zu erreichen, nutzte sein Team die Vorteile neuer mikrofluidischer Techniken. Zunächst stabilisierten sie die GUVs, indem sie sie in Wasser-in-Öl-Tröpfchen platzierten, die von einer viskosen Hülle aus Polymeren umgeben waren. Während diese tröpfchenstabilisierten GUVs dann einen Mikrokanal hinunterflossen, injizierte das Team große Proteine in sie, entweder innerhalb des Vesikels oder eingebettet in die Membranoberfläche (siehe ‘Die Fließbänder’).

Sie beluden diese Membranen mit einem Enzym namens ATP-Synthase, das als eine Art molekulares Wasserrad fungiert und ATP-Energie aus Vorläufermolekülen erzeugt, wenn Protonen durch die Membran fließen. Durch die Zugabe von Säure, um die Protonen außerhalb der GUVs anzukurbeln, trieb das Team die ATP-Produktion im Inneren an6.

Spatz erklärt, dass die Forscher die GUVs für eine weitere Proteininjektion erneut durch den Mikrokanal führen könnten, um nacheinander Komponenten hinzuzufügen. Der nächste Schritt könnte zum Beispiel darin bestehen, eine Komponente hinzuzufügen, die automatisch den Protonengradienten für das System einrichtet.

“Das ist ein wichtiger Baustein, wie man ihn auch im richtigen Leben hat”, sagt Spatz.

Eine andere Max-Planck-Gruppe für synthetische Biologie unter der Leitung des Biochemikers Tobias Erb hat sich mit anderen Ansätzen zur Konstruktion von zellulären Stoffwechselwegen beschäftigt. Er interessiert sich besonders für die Wege, die es photosynthetischen Mikroben ermöglichen, Kohlendioxid aus der Umwelt zu ziehen und daraus Zucker und andere Zellbausteine herzustellen.

Erb, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, verfolgt bei der Synthese von zellulären Stoffwechselwegen einen “Blanko-Schild”-Ansatz. “

Seine Gruppe entwarf ein System, das CO2 in Malat umwandeln könnte, einen wichtigen Metaboliten, der bei der Photosynthese entsteht. Das Team sagte voraus, dass dieser Weg noch effizienter sein würde als die Photosynthese. Als Nächstes durchsuchten Erb und sein Team Datenbanken nach Enzymen, die jede der Reaktionen durchführen könnten. Für einige mussten sie bestehende Enzyme in Designer-Enzyme umwandeln.

Am Ende fanden sie 17 Enzyme aus 9 verschiedenen Organismen, darunter E. coli, ein Archaeon, die Pflanze Arabidopsis und der Mensch. Es überrascht vielleicht nicht, dass die Reaktion ineffizient und langsam war7.

“Wir haben ein Team von Enzymen zusammengestellt, die nicht gut zusammenspielten”, sagt Erb. Nach einigen weiteren enzymtechnischen Eingriffen verfügt das Team jedoch über eine “Version 5.4”, die laut Erb 20 % effizienter arbeitet als die Photosynthese.

Ausgehend von dieser Arbeit hat Erb’s Gruppe begonnen, eine Rohversion eines synthetischen Chloroplasten zu konstruieren. Indem sie Spinat in einem Mixer zerkleinern und dessen Photosynthesemaschinerie zu ihrem Enzymsystem im Reagenzglas hinzufügen, können die Biologen die Produktion von ATP und die Umwandlung von CO2 in Malat vorantreiben – allein durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.

Auch wenn im Reagenzglas für kurze Zeit alles funktioniert, sagt Erb, “am Ende möchten wir es kompartimentiert haben, wie einen Chloroplasten”. Er freut sich darauf, mit synthetischen Biologen wie Kate Adamala zusammenzuarbeiten, die komplexe Kompartimente bauen und kontrollieren können.

Adamalas Gruppe an der Universität von Minnesota in Minneapolis arbeitet an Möglichkeiten, programmierbare Bioreaktoren zu bauen, indem sie einfache genetische Schaltkreise in Liposomen einführt und diese zu komplexeren Bioreaktoren zusammenfügt. Sie nennt sie “Seifenblasen, die Proteine herstellen”.

Ihre Gruppe baut diese Bioreaktoren mit einem Spinnröhrensystem, das dem von Schwille ähnelt, aber kleinere Liposomen produziert. Die Forscher fügen DNA-Kreise, so genannte Plasmide, hinzu, die sie für eine bestimmte Funktion entworfen haben, zusammen mit allen Maschinen, die für die Herstellung von Proteinen aus DNA erforderlich sind.

So hat ihre Gruppe beispielsweise Liposomen-Bioreaktoren hergestellt, die durch Membranporen ein Antibiotikum in ihrer Umgebung wahrnehmen und als Reaktion darauf ein biolumineszentes Signal erzeugen können8.

Indem sie einfache Bioreaktoren nacheinander zusammenfügen, kann das Team komplexere genetische Schaltkreise konstruieren. Die Systeme brechen jedoch zusammen, wenn sie auf zehn oder mehr Komponenten anwachsen. Dies ist eine große Herausforderung für das Feld, sagt Adamala. In einer echten Zelle werden Proteine, die sich gegenseitig stören könnten, durch eine Reihe von Mechanismen voneinander ferngehalten. Bei viel einfacheren synthetischen Zellen müssen die Biologen andere Wege finden, um diese Kontrolle zu gewährleisten. Dies könnte durch externes Gatekeeping geschehen, bei dem der Experimentator entscheidet, welche Liposomen zusammengemischt werden und wann. Dies könnte auch durch chemische Markierungen geschehen, die regeln, welche Liposomen miteinander verschmelzen können, oder durch ein System zur zeitlichen Freigabe.

Informationsinjektionen

Ein weiterer Schlüssel zur Herstellung einer Zelle ist die richtige Software. Damit eine synthetische Zelle den Anweisungen der Wissenschaftler folgen und sich selbst replizieren kann, muss es eine Möglichkeit geben, Informationen zu speichern und abzurufen. Bei lebenden Systemen geschieht dies durch Gene – von Hunderten bei einigen Mikroben bis zu Zehntausenden beim Menschen.

Wie viele Gene eine synthetische Zelle benötigt, um sich selbst zu betreiben, ist Gegenstand einer gesunden Debatte. Schwille und andere würden es gerne bei ein paar Dutzend belassen. Andere, wie Adamala, meinen, dass synthetische Zellen 200-300 Gene brauchen.

Einige haben sich dafür entschieden, mit etwas Lebendigem zu beginnen. Der synthetische Biologe John Glass und seine Kollegen vom J. Craig Venter Institute (JCVI) in La Jolla, Kalifornien, nahmen eines der kleinsten bekannten mikrobiellen Genome der Welt, das des Bakteriums Mycoplasma mycoides, und zerstörten systematisch dessen Gene, um die wesentlichen zu identifizieren. Sobald sie diese Informationen hatten, fügten sie im Labor ein minimales Genom chemisch zusammen.

Dieses synthetische Genom enthielt 473 Gene – etwa die Hälfte dessen, was im ursprünglichen Organismus vorhanden war – und wurde in eine verwandte Bakterienart, Mycoplasma capricolum9, transplantiert. Im Jahr 2016 zeigte das Team, dass dieses minimale synthetische Genom einen freilebenden, wenn auch langsam wachsenden Organismus “hochfahren” konnte10. Glass glaubt, dass es schwer sein wird, diese Zahl noch weiter zu verringern: Nimmt man ein beliebiges Gen weg, tötet das entweder die Zellen oder verlangsamt ihr Wachstum auf nahezu Null, sagt er.

Er und seine JCVI-Kollegen stellen auf der Grundlage der neuesten Version ihrer Schöpfung, JCVI-syn3.0a, eine Liste von “zellulären Aufgaben” zusammen, die als Blaupause für die minimale Aufgabenliste einer Zelle dienen könnte. Aber für etwa 100 dieser Gene können sie nicht feststellen, was sie tun, was sie so wichtig macht.

In einem nächsten Schritt werden Glass und Adamala mit Unterstützung eines NSF-Zuschusses von fast 1 Million Dollar versuchen, das JCVI-syn3.0a-Genom in ein synthetisches Liposom einzubauen, das die für die Umwandlung von DNA in Proteine erforderliche Maschinerie enthält, um zu sehen, ob es überleben kann. In diesem Fall wären sowohl die Software als auch die Hardware der Zelle von Anfang an synthetisch.

Wenn sie wachsen und sich teilen könnte, wäre das ein gewaltiger Schritt. Aber viele argumentieren, dass sie sich auch weiterentwickeln und an ihre Umgebung anpassen müsste, um wirklich ein lebendes System darzustellen. Dies ist das Ziel mit den unvorhersehbarsten Ergebnissen und auch den größten Herausforderungen, sagt Schwille. “Ein Ding, das sich die ganze Zeit selbst erzeugt, ist kein Leben – obwohl ich damit zufrieden wäre”, sagt sie. “Damit eine Zelle lebendig ist, muss sie neue Funktionen entwickeln.”

Glass’ Team am JCVI hat mit JCVI-syn3.0a Experimente zur adaptiven Laborevolution durchgeführt und dabei Organismen ausgewählt, die in einer nährstoffreichen Brühe schneller wachsen. Bislang haben er und sein Team nach etwa 400 Teilungen Zellen erhalten, die etwa 15 % schneller wachsen als der ursprüngliche Organismus. Und sie haben eine Handvoll Gensequenzveränderungen festgestellt, die auftauchen. Aber es gibt noch keine Anzeichen dafür, dass die Mikrobe neue Zellfunktionen entwickelt oder ihre Fitness sprunghaft erhöht.

Erb sagt, dass die Entwicklung der Evolution in synthetischen Zellen die einzige Möglichkeit ist, sie interessant zu machen. Das kleine bisschen Chaos in biologischen Systemen ist es, was es ihnen ermöglicht, ihre Leistung zu verbessern. “Als Ingenieure können wir keine perfekte synthetische Zelle bauen. Wir müssen ein selbstkorrigierendes System bauen, das immer besser wird”, sagt er.

Synthetische Zellen könnten zu Erkenntnissen darüber führen, wie das Leben auf anderen Planeten aussehen könnte. Und synthetische Bioreaktoren, die von einem Forscher vollständig kontrolliert werden, könnten neue Lösungen für die Behandlung von Krebs, die Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen oder die Sanierung von toxischen Standorten bieten. Die Freisetzung eines solchen Organismus in den menschlichen Körper oder in die Umwelt wäre riskant, aber ein von oben nach unten manipulierter Organismus mit unbekanntem und unvorhersehbarem Verhalten könnte noch riskanter sein.

Dogterom sagt, dass synthetische lebende Zellen auch andere philosophische und ethische Fragen aufwerfen: “Wird dies ein Leben sein? Wird es autonom sein? Werden wir es kontrollieren?” Diese Gespräche sollten zwischen Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit geführt werden, sagt sie. Was die Befürchtung angeht, dass synthetische Zellen Amok laufen werden, ist Dogterom weniger besorgt. “Ich bin überzeugt, dass unsere erste synthetische Zelle eine lausige Nachahmung dessen sein wird, was bereits existiert”. Und als Ingenieure des synthetischen Lebens können sie und ihre Kollegen leicht Kontrollen oder einen Kill Switch einbauen, der die Zellen unschädlich macht.

Sie und andere synthetische Biologen werden die Erforschung der Grenzen des Lebens weiter vorantreiben. “Der Zeitpunkt ist günstig”, sagt Dogterom. “Wir haben die Genome und die Stückliste. Die minimale Zelle braucht nur ein paar hundert Gene, um etwas zu haben, das irgendwie lebendig aussieht. Hunderte von Teilen sind eine enorme Herausforderung, aber es sind nicht Tausende – das ist sehr aufregend.”