Tanzende Vesikel

Welche Eigenschaften muss eine künstlich erzeugte Zelle aufweisen um als lebendig zu gelten? Wie viele Bausteine sind für die einzelnen Funktionen einer solchen “Minimalzelle” notwendig? Mit diesen Fragestellungen beschäftigen sich Petra Schwille und ihr Team am Max-Planck-Institut für Biochemie. Nun haben die Forscher gezeigt, wie aus nur fünf biologischen Komponenten zellähnliche Strukturen erzeugt werden können, die sich unter Energieverbrauch selbstständig bewegen. Die Entdeckung dieser pulsierenden und tanzenden Vesikel kam dabei überraschend, denn eigentlich wollten die Wissenschaftler Zellteilungsprozesse untersuchen. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Künstliche Zellfunktionen...
Die synthetische Biologie macht es sich zur Aufgabe, biologische Systeme auf künstliche Weise zu imitieren, oder gar so zu verändern, dass dabei neue Funktionen entstehen. So können beispielsweise Zellfunktionen im Reagenzglas nachgebaut werden und somit besser verstanden werden. Dies könnte zukünftig zu neuen technologischen Anwendungen führen. Die hierfür verwendeten molekularen Bausteine sind meist biologischen Ursprungs. Die Forscher können dabei jedoch sowohl natürliche Mechanismen nachahmen als auch neue Herangehensweisen verfolgen.

...in künstlichen Zellhüllen
Oftmals ist es Teil der synthetischen Biologie, die verschiedenen Bausteine in mikroskopisch kleine “Behälter“ zu verpacken, um Bedingungen in lebenden Zellen zu reproduzieren. Beliebte „Behälter” sind sogenannte Riesenvesikel. Diese Seifenblasen-ähnlichen Strukturen bestehen aus einer dünnen Lipidschicht ähnlich der Zellmembran. Dazu haben sie weitere Eigenschaften, beispielsweise ihre Größe (1-100 µm), mit lebenden Zellen gemein. Dies macht sie zum idealen Modellsystem in der synthetischen Zellbiologie.

Die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie haben nun zwei verschiedene Proteine und chemische Energie in Form von ATP in solche zellähnlichen Riesenvesikel eingeschlossen. Unter dem Mikroskop konnten die Forscher beobachten, dass die Strukturen dadurch anfangen sich selbstständig periodisch zu bewegen. In ihrer Publikation in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie nennen sie diese Gebilde “tanzende Vesikel”.

Wie findet eine Zelle ihre Mitte?
Die verwendeten Proteine stammen aus dem Darmbakterium Escherichia coli, das eine wichtige Rolle als Modellsystem in der biologischen Forschung spielt. Diese Bakterien haben eine längliche Form und teilen sich exakt in ihrer Mitte. Um herauszufinden, wo sich diese Mitte befindet, bedienen sich die stabförmigen Bakterien eines ausgeklügelten Mechanismus: Die Proteine MinD und MinE pendeln zwischen den beiden Enden des Bakteriums hin und her. Der Zellteilungsapparat wird von diesen Proteinen abgestoßen und siedelt sich mit größtmöglichem Abstand zu den Enden an – also genau in der Zellmitte.

Wandernde Muster
Nun ist es Forschern der Abteilung „Zelluläre und molekulare Biophysik“ am Max-Planck-Institut für Biochemie erstmals gelungen, diese pendelnden Proteine in Riesenvesikeln einzuschließen. Dabei beobachtete das Team von Petra Schwille, dass die Proteine in den Riesenvesikel periodisch wandern bzw. hin und her pendeln – ähnlich wie im lebenden Bakterium. In zukünftigen Experimenten planen die Wissenschaftler weitere Komponenten in die Vesikel einzuschließen, um diesen zu ermöglichen sich selbst zu teilen und sich somit zu vermehren. Doch die blinkenden Muster aus Proteinen waren nicht der einzige Effekt, den die Wissenschaftler unter dem Mikroskop beobachten konnten: Die Vesikel schienen sich selbstständig zu bewegen und zyklisch ihre Form zu ändern wie ein auf- und abhüpfender Gummiball. Thomas Litschel, Erstautor der Studie erklärt, dass dies vollkommen unerwartet kam, denn bisher war nicht bekannt, dass solch ein simples System mit wenigen Bausteinen dynamische Membranverformungen dieses Ausmaßes hervorrufen kann. „Die meisten Phänomene in biologischen Systeme sind viel komplexer als sie scheinen. Hier liegt nun endlich auch einmal eine gegenteilige Beobachtung vor: ein scheinbar komplexes Verhalten, das aus sehr wenigen verschiedenen biologischen Komponenten besteht“, fasst Petra Schwille die Ergebnisse zusammen.

Der Weg zur synthetisch erzeugten Zelle ist zwar ein weiter, doch die Wiederherstellung einzelner biologischer Funktionen fügt dem notwendigen biotechnologischen Baukasten ein weiteres Werkzeug hinzu. Jeder Schritt auf dem Weg zur künstlichen Zelle verbessert auch das Verständnis von Prozessen in existierenden Organismen. So helfen die „tanzenden Vesikel“ den Wissenschaftlern die fundamentalen Wirkprinzipien des Lebens zu erforschen.

Originalpublikation:
T. Litschel, B. Ramm, R. Maas, M. Heymann, P. Schwille. „Beating Vesicles: Encapsulated Protein Oscillations Cause Dynamic Membrane Deformations”, Angewandte Chemie International Edition, Dezember 2018
https://doi.org/10.1002/anie.201808750

Deutsche Version: „Tanzende Vesikel: Proteinoszillationen führen zu periodischer Membranverformung“, Angewandte Chemie, Dezember 2018
https://doi.org/10.1002/ange.201808750