Energie für die künstliche Zelle

Forschende bringen Protonenpumpe der Atmungskette in künstlicher Polymer-Membran zum Laufen

Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg, des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Martin-Luther-Universität in Halle haben einen weiteren Schritt hin zu einer synthetisch konstruierten Zelle gemacht. Sie haben mit einem in Bakterien vorkommenden Enzym in einer künstlichen Polymer-Membran einen Teil der Atmungskette zum Laufen gebracht. Die Atmungskette gehört in vielen Zellen zum Energiestoffwechsel.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen einer natürlichen Zellmembran (oben) und dem Polymer PDMS-g-PEO (unten) (rechts: Vergrößerung): Zellmembranen bestehen aus einer Fettschicht, in die Proteine eingebettet sind. Anders als natürlich Membrane, die eine Doppelschicht bilden, organisiert sich das Polymer zu einer einzelnen flaumigen Schicht. (Der Balken entspricht 100 Nanometern.)

Künstliche Zellen zu entwickeln, ist eine der großen Visionen in der Biologie. Manche Forschende bauen existierende Zellen um, andere wie die Max-Planck-Forscher gehen einen anderen Weg: „Wir wollen eine vollständig neue Zelle konstruieren, indem wir einzelne Komponenten schrittweise zu einem lebenden System mit einem Stoffwechsel zusammenfügen“, sagt Ivan Ivanov, einer der beteiligten Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Kai Sundmacher, Direktor am Magdeburger Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme.

Für eine komplett neue Zelle haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nach einem künstlichen Polymer gesucht, das die Eigenschaften einer Zellmembran besitzt und auch deren Rolle im Energiestoffwechsel einnehmen könnte. Die natürliche Membran von Zellen besteht aus speziellen Fetten (Phospholipiden) und grenzt das Zellinnere zur Umwelt ab. Sie hat gleichermaßen wasser- und fettliebende Eigenschaften und ist eben Schauplatz essentieller biochemischer Reaktionen, die unter anderem der Energiegewinnung der Zelle dienen. „Inspiriert von den natürlichen Prozessen beim Energiestoffwechsel von Lebewesen entwerfen wir aus biologischen und chemischen Grundbausteinen maßgeschneiderte künstliche Energieorganellen, die Licht oder chemische Energie in ATP umwandeln", erklärt Tanja Vidaković-Koch vom Magdeburger Max-Planck-Institut. ATP ist wie ein Treibstoff der Zelle, der die chemischen Reaktionen antreibt.

Protonenpumpe in künstlicher Membran

Tatsächlich haben die Forschenden mit dem Tensid PDMS-g-PEO nun ein handelsübliches Polymer gefunden, das anstelle der natürlichen Phospholipide als Membran dient und sich zu Vesikeln formen kann. "Solche Vesikel sind ein nützliches Modell für die Konstruktion künstlicher Organellen und Zellen“, erklärt Rumiana Dimova, Spezialistin für Biomembranen vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Bislang ist es aber nur begrenzt gelungen, funktionstüchtige Proteine unter anderem des Energiestoffwechsels in Polymer-Membranen unterzubringen.

Dem Team ist dies nun geglückt. Sie haben die Protonenpumpe „bo3 Oxidase“ in die synthetische Membran integriert. "Das Enzym gehört zur Atmungskette in manchen Bakterien und funktioniert auch in der Polymer-Membran hervorragend, sogar etwa besser als in der natürlichen Membran aus Fetten“, erklärt Nika Marušič, Miterstautorin der Studie, eines der Studienergebnisse. Denn die Oxidase „reduziert“ auch in der künstlichen Membran Sauerstoff, sie vollzieht damit den letzten Schritt der Zellatmung. Die Forschenden haben nachgewiesen, dass sie Protonen in das Innere des Vesikels pumpt und so eine Voraussetzung dafür schafft, dass ATP produziert werden kann.

Undurchlässig für Protonen

Wie die Forscher weiter feststellten, ist die künstliche Membran nahezu undurchlässig für Protonen, gleichzeitig aber auch ausreichend flüssig und sehr stabil gegenüber schädlichen Sauerstoff-Radikalen – sogar stabiler als ihr natürliches Vorbild. Auch die Biegefestigkeit der Polymer-Membran ähnelt der einer natürlichen Membran. Die Biegefestigkeit ist wichtig, weil lebende Zellen sich immer wieder verformen. Sie darf also nicht zu niedrig sein, damit die Zellen ihre Form beibehalten können aber auch nicht zu hoch, da sonst die Funktion komplexer Membran-Proteine vermindert wird.

Die Chemie des Polymers bietet also hervorragende Voraussetzungen für einen Energiestoffwechsel in einem künstlichen Mitochondrium – so nennt man das Kraftwerk der Zelle. Dennoch gibt es einige Hindernisse: „Es ist noch unklar, wie sich diese Polymer-Membran vervielfältigen könnte“, erklärt Ivanov. Das ist aber zwingend notwendig, damit sich eine künstliche Zelle am Ende vermehren kann.

 

Polymermembran für eine künstliche Zelle

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