Teilung und Wachstum künstlicher Vesikel

Eine der großen Herausforderung auf dem Weg zu synthetischen Zellen: Sie müssen sich teilen können, um Nachkommen zu haben. Ein Heidelberger Team stellt jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen reproduzierbaren Teilungsmechanismus für künstliche Vesikel vor, der auf Osmose beruht und durch eine enzymatische Reaktion oder Licht gesteuert werden kann.

Organismen können nicht einfach aus unbelebtem Material entstehen ("Urzeugung"), Zellen entstehen immer aus bereits vorhandenen Zellen. Die Vision von Grund auf neu aufgebauter künstlicher Zellen bringt dieses Paradigma zum Wanken. Eine Hürde auf diesem Weg stellt jedoch noch die Frage einer gesteuerten Teilung dar - die Voraussetzung für "Nachwuchs".

Das Team vom Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung in Heidelberg, der Universität Heidelberg, der Max Planck School Matter to Life und dem Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order um Kerstin Göpfrich hat nun einen Meilenstein gesetzt und eine vollständige Kontrolle über die Teilung von Vesikeln erzielt. Dazu stellten sie "gigantische unilamellare Vesikel" her, mikrometergroße Bläschen mit einer Hülle aus einer Lipid-Doppelschicht, die einer natürlichen Membran ähnelt. Verschiedene Lipide wurden dabei so kombiniert, dass Vesikel mit zwei unterschiedlich zusammengesetzten Membran-Hemisphären entstanden, sogenannte phasengetrennte Vesikel.

Wird nun die Konzentration an gelösten Stoffe in der umgebenden Flüssigkeit erhöht, tritt Wasser aufgrund von Osmose durch die Membran aus, das Volumen der Vesikel schrumpft bei konstanter Membranfläche. Die resultierende Spannung an der Phasengrenzfläche verformt die Vesikel: Entlang ihres "Äquators" schnüren sie sich ein - mit zunehmendem osmotischen Druck immer mehr, bis sich die beiden Hälften komplett voneinander trennen und zwei (nunmehr einphasige) "Tochterzellen" - mit unterschiedlichen Membranzusammensetzungen - entstehen. Wann eine Teilung auftritt, hängt allein vom Verhältnis der Konzentrationen der osmotisch aktiven Teilchen (Osmolarität) ab und ist unabhängig von der Größe des Vesikels.

Auch die Methode, mit der die Osmolarität erhöht wird, spielt keine Rolle. Das Team verwendete u.a. eine Sucrose-Lösung und gab ein Enzym hinzu, das diese in Glucose und Fructose spaltet und so die Konzentration nach und nach erhöht. Eine durch Licht ausgelöste Spaltung gelöster Moleküle macht die Teilung sogar vollständig räumlich und zeitlich steuerbar. Eine lokal eng begrenzte Bestrahlung konnte die Stoffkonzentration selektiv um ein einzelnes Vesikel erhöhen und dieses selektiv und gezielt zur Teilung anregen.

Die einphasigen Zellen konnte das Team zudem wieder zu phasengetrennten Riesen-Vesikeln wachsen lassen durch Fusion mit winzigen Vesikeln mit dem jeweils anderen Membran-Typ. Dies gelang durch Anhängen zueinander komplementärer DNA-Einzelstränge an die beiden verschiedenen zusammengesetzten Membran-Typen. Sie binden aneinander und bringen die Membranen der Tochterzelle und der Mini-Vesikel in sehr engen Kontakt, sodass sie sich vereinigen können. Die erhaltenen Riesen-Vesikel konnten anschließend weitere Teilungszyklen durchlaufen.

"Auch wenn sich diese künstlichen Teilungsmechanismen deutlich von denen lebender Zellen unterscheiden", so Göpfrich, "stellt sich die Frage, ob ähnliche Mechanismen zu Beginn des Lebens auf der Erde eine Rolle gespielt haben oder an der Bildung intrazellulärer Vesikel beteiligt sind."

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Quelle: Angewandte Chemie