Bauwerke aus DNA

Das Leben auf der Erde ist aus unbelebten Komponenten entstanden. Können wir diesen Prozess im Labor nachstellen, und welche Werkzeuge benötigen wir dafür? Mit DNA-Origami, einer Faltkunst im Größenmaßstab weniger Millionstel Millimeter, lassen sich einzelne Bestandteile einer Zelle nachbauen. Diese könnten zukünftig auch in unserem Körper wichtige Aufgaben übernehmen.

Eine Zelle besteht aus einer Vielzahl von Komponenten und Organellen. Dazu zählen zum Beispiel die länglich geformten und hier orange gezeichneten Mitochondrien, die die Zelle mit Energie versorgen. Der kugelförmige Zellkern (olivgrün) beinhaltet das Erbgut und ist wie das netzförmige Endoplasmatische Retikulum (hellblau) von einer Membranhülle umgeben.

Text: Kerstin Göpfrich

Eine lebende Zelle besteht aus voneinander abgegrenzten und doch vernetzten Funktionseinheiten: Zellhülle, Organellen, Stoffwechsel, Erbgut. „Was ich nicht nachbauen kann, kann ich nicht verstehen“ – die Aussage des Physikers und Nobelpreisträgers Richard Feynman lässt sich auch auf lebende Zellen übertragen.

Noch ist es unmöglich, eine künstliche Zelle zu erschaffen. Aber die Geschichte lehrt, dass morgen Realität sein kann, was gestern noch undenkbar erschien: So waren noch Anfang des 19. Jahrhunderts die meisten Chemiker davon überzeugt, dass sich Harnstoff nicht aus unbelebter Materie künstlich erzeugen ließe. Es brauche „Lebenskraft“ für die Herstellung einer organischen Substanz, wie dem Bestandteil des Harns. 1828 synthetisierte dann der Chemiker Friedrich Wöhler Harnstoff aus Ammoniumchlorid und Silberzyanat. Zum ersten Mal konnte der Mensch damit eine Substanz im Reagenzglas herstellen, die bis dahin nur aus lebenden Organismen bekannt war. Die synthetische Biologie steht heute ungefähr dort, wo die organische Chemie vor der künstlichen Harnstoff-Synthese stand. Allerdings ist eine Zelle weitaus komplexer als die Chemie der Ammoniumsalze.

Ein Erfolgsrezept der synthetischen Biologie lautet deshalb Vereinfachung: Forschende wählen dabei nur die wichtigsten Bausteine aus und setzen sie in zellähnlichen Kompartimenten zusammen. Bei einem solchen sogenannten Bottom-up-Ansatz entstehen minimale Einheiten, die jeweils eine Funktion einer lebenden Zelle nachahmen: Ein Modul kann beispielsweise Licht in chemische Energie umwandeln, ein anderes auf Reize reagieren, ein Drittes wiederum ermöglicht die Bewegung. Der Zusammenbau der Module zu einer komplett funktionsfähigen synthetischen Zelle gestaltet sich jedoch noch als sehr schwierig, denn es ist nicht immer eindeutig, wie genau sich die Module zusammenfügen lassen. Außerdem ist ihr Zusammenspiel untereinander äußerst komplex.

Künstliche Zellen sollen programmierbar und selbstständig sein

Vielleicht wäre es einfacher, die Perspektive zu wechseln. Statt einzelne Module zusammenzusetzen, um das Original bestmöglich zu rekonstruieren, könnten Forschende auch neue Werkzeuge und Materialien verwenden. Das schafft mehr Freiraum für kreative Lösungen. Mit einem solchen De-novo-Ansatz versuchen mein Team und ich, eine künstliche Zelle von Grund auf neu zu bauen. Aber statt einer Kopie wollen wir ein Unikat. Unsere künstliche Zelle soll programmierbar sein und selbstständig agieren – wie ein miniaturisierter Roboter, als Bindeglied zwischen der belebten und der unbelebten Welt.

Doch welche Werkzeuge und welche Materialien eignen sich für den Bau derartiger synthetischer Komponenten? Es müssen auf jeden Fall programmierbare Präzisionswerkzeuge sein, die flexibel hohe Stückzahlen an molekularen Einheiten bereitstellen können, passgenau für eine Vielzahl verschiedener Funktionen.

Mit DNA-Origami lassen sich Moleküle in Form bringen

Ein geeignetes Werkzeug dafür ist unserer Meinung nach DNA-Origami, die Faltkunst mit DNA. Dabei dient DNA nicht wie in der Natur als Erbinformationsspeicher, sondern als Baumaterial. Die spiralförmige DNA-Doppelhelix wird entwunden und in Einzelstränge zerlegt. Ein langer Einzelstrang kann nun durch viele kurze, künstlich hergestellte DNA-Sequenzen in die gewünschte Form gefaltet werden. Dafür berechnen wir aus einer 3D- Zeichnung die nötigen DNA-Sequenzen und bringen sie im Reagenzglas zusammen. In einem Tropfen Wasser entstehen so Billionen, nur wenige Millionstel Millimeter große Kopien der zuvor entworfenen Form.

Klingt nach Magie, ist aber simple Physik: Die DNA- Stränge finden aufgrund der vorgegebenen Basenpaarungen exakt zusammen und bilden von selbst eine dreidimensionale Struktur, die eine bestimmte Aufgabe in einer Zelle übernehmen kann. Auf diese Weise haben wir unter anderem künstliche Membranporen aus DNA hergestellt – Komponenten, die sich nur schwer aus Zellen isolieren lassen.

Nicht immer müssen es komplizierte Bauwerke sein. Schon eine einzelne DNA-Doppelhelix mit chemischer Modifikation genügt, um zwei Komponenten in einer Zelle miteinander zu verknüpfen. Oft verwendet die Natur dafür Hunderte von Bindegliedern – zum Beispiel, um das Zellskelett an die Zellmembran anzuheften. Jedes einzelne zu isolieren und in künstliche Zellen einzubringen, scheint unmöglich. Deshalb haben wir eine Abkürzung gewählt und DNA als künstliches Bindeglied verwendet. Die Bindung lässt sich durch äußere Einflüsse festigen oder lösen, zum Beispiel durch Änderung der Temperatur.

Am Ende müssen wir die verschiedenen Komponenten in einer Membranhülle zusammensetzen, um eine Zelle nachzuahmen. Die Teilung der Zellhülle gelingt uns schon. Dabei will der Prozess des Zusammenbaus gut überlegt sein, denn die Zellhülle ist besonders fragil. Wenn die aus einer dünnen Fettschicht bestehende Membran erst einmal ausgebildet ist, gestaltet sich der Einbau als zu umständlich.

Synthetische Hülle beherbergt Bauteile für künstliche Zelle

Deshalb haben wir eine Methode entwickelt, die oberflächlich dem Mixen eines Cocktails gleicht: Wir schichten die Komponenten zuerst in einem Reagenzglas übereinander und erzeugen durch Schütteln eine Tröpfchen-Emulsion. An der Grenzschicht der Tröpfchen bildet sich eine künstliche Zellhülle, welche die Komponenten einschließt. Auf diese einfache Art und Weise können wir viele verschiedene Komponenten einbauen. Auch Mikrofluidik und 3D-Druck sind dafür hilfreiche Werkzeuge. Mit ihnen können wir uns nun der nächsten Herausforderung widmen: der Entwicklung eines Informationsspeichers für künstliche Zellen.

Bis Leben auf der Erde entstand, dauerte es Milliarden von Jahren. Wann gelingt das Experiment im Labor? Der Mensch könnte sehr viel schneller sein, denn anstatt wie die natürliche Evolution auf eine Verkettung glücklicher Zufälle zu warten, verfolgt er mit der synthetischen Biologie klare Ziele. Das lässt hoffen, dass ein künstliches lebendes Modellsystem nicht mehr lange Vision bleibt. Spätestens dann wird eine uralte Frage neue Bedeutung bekommen: Was ist Leben, und könnte es auch ganz anders aussehen?

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