Nahe an echten lebenden Zellen! Kann die synthetische Zelltechnologie dem Leben einen neuen Wert verleihen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt die Artikelserie „Neues Wissen über das Leben“ gestartet, in der die neuesten Errungenschaften auf dem Gebiet der Biowissenschaften ausgewählt und so schnell wie möglich in eine einfache Sprache übersetzt werden. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Der Nobelpreisträger und berühmte Physiker Richard Feynman sagte einmal: „Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht“, was bedeutet: Wenn ich nicht erschaffen kann, kann ich nicht verstehen.

Diese Sichtweise gilt auch für unser Verständnis vom Leben.

Nur wenn es uns gelingt, Leben zu erschaffen, können wir das Wesen des Lebens wirklich verstehen. Und genau das ist es, was die Forschung im Bereich der Biowissenschaften schon immer erreichen wollte.

Wie also erschaffen wir Leben? Eine Grundregel im Bereich der Biowissenschaften ist das „zentrale Dogma“, das besagt, dass sich genetische Informationen von der DNA selbst replizieren und auch auf RNA und dann auf Proteine ​​übertragen werden können, wodurch die Transkription und Translation genetischer Informationen abgeschlossen wird. Dieser Prozess ist der Prozess der Lebensschaffung. Solange wir DNA erzeugen können, ist es daher theoretisch möglich, künstlich Leben zu erschaffen und ein tieferes Verständnis für das Wesen des Lebens zu erlangen.

Die Geschichte der menschlichen Entwicklung des „künstlichen Lebens“

Künstliches Leben bedeutet , Gene aus anderen Lebensformen zu extrahieren, neue künstliche Chromosomen zu erzeugen und diese dann in Zellen zu übertragen, aus denen das genetische Material entfernt wurde. Letztendlich steuern diese künstlichen Chromosomen die Zelle und entwickeln sie zu einer neuen Lebensform.

Obwohl die Entwicklungsgeschichte des künstlichen Lebens relativ kurz ist, ist sie voller Innovationen und Durchbrüche. Im Jahr 1953 schlugen Watson und Crick das berühmte Doppelhelix-Strukturmodell der DNA vor, das die Ära der Molekularbiologie einleitete. In den 1970er Jahren gelang es Herbert Boyer und Stanley Cohen, doppelsträngige DNA durch Restriktionsendonukleasen zu schneiden bzw. Plasmid-DNA in Escherichia coli zu übertragen. Diese beiden innovativen Errungenschaften markierten nicht nur die Geburtsstunde der Gentechnik. Anschließend ermöglichte die von Sanger erfundene DNA-Sequenzierungstechnologie das genaue „Lesen“ von DNA-Sequenzen. Paul Berg und Walter Gilbert trieben dann die Entwicklung der rekombinanten DNA-Technologie voran, indem sie Techniken zum molekularen Klonen entwickelten.

Diese bahnbrechenden Technologien haben einen wichtigen Grundstein für die Erforschung künstlichen Lebens gelegt.

Unter ihnen markierte die Leistung des Teams des amerikanischen Biologen Craig Venter im Mai 2010 einen bedeutenden Durchbruch auf dem Gebiet des künstlichen Lebens. Sie synthetisierten im Labor chemisch ein komplettes Genom und implantierten dieses synthetische Genom dann in eine leere Zelle. Diese Zelle beginnt dann, sich entsprechend den implantierten genetischen Anweisungen zu replizieren und zu vermehren und bildet schließlich neue Zellen.

Obwohl einige Wissenschaftler Bedenken haben, dass Venters Arbeit lediglich auf einer natürlichen, bereits existierenden Restzelle basiert und kein echtes Leben schafft, beweist sein Experiment dennoch, dass ein künstliches Genom Zellen mit Energie versorgen kann, was wichtige Erkenntnisse für die Zukunft echten künstlichen Lebens liefert.

Der verrückte Wissenschaftler des künstlichen Lebens: Craig Venter

Wenn wir über künstliches Leben sprechen, müssen wir den führenden Kopf und wissenschaftlichen Verrückten auf diesem Gebiet erwähnen – Craig Venter. Er ist ein renommierter amerikanischer Biologe und Unternehmer, der für seine bedeutenden Errungenschaften in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bekannt ist. Zu seinen Errungenschaften zählen, dass er „im Alleingang Wissenschaftler aus sechs Ländern herausgefordert hat, das Humangenomprojekt abzuschließen“ und „neue Organismen geschaffen hat“. Beides sind Durchbrüche, die die wissenschaftliche Gemeinschaft auf der ganzen Welt schockierten.

Craig Venter

(Bildquelle: Offizielle Website des Craig Venter Institute)

In den 1990er Jahren beteiligten sich Spitzenwissenschaftler aus sechs Ländern, darunter den USA, Großbritannien, Frankreich, Deutschland, Japan und China, gemeinsam am Humangenomprojekt. Die Kosten für die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms wurden auf drei Milliarden Dollar geschätzt. Als jedoch die Hälfte der Zeit und des Geldes investiert war, hatten sie lediglich 3 % der Sequenzierungsarbeiten abgeschlossen.

Zur gleichen Zeit gründete Craig Venter Celera Genomics, eine private genetische Forschungsorganisation, die neue Sequenzierungstechnologien wie „Shotgun“ entwickelte und schnell mit den Fortschritten des multinationalen Kooperationsteams mithalten konnte. Später arbeitete Craig Venter mit Wissenschaftlern aus sechs Ländern zusammen und schloss Anfang 2001 erfolgreich den Entwurf des menschlichen Genoms ab.

Nach der Fertigstellung des Humangenomprojekts hatte Craig Venter bald ein neues Ideal, das möglicherweise das ultimative Ziel der Biowissenschaften darstellt: die Schaffung neuer Lebensformen. Craig Vent plant, mithilfe kleiner DNA-Fragmente ein neues Genom zu synthetisieren und es in Bakterien zu übertragen, deren ursprüngliches Genom entfernt wurde, um zu beobachten, ob die winzigen Bakterien Stoffwechsel betreiben und sich vermehren können.

Nach mehr als zehn Jahren unermüdlicher Bemühungen und Investitionen von über 40 Millionen US-Dollar gelang es Craig Vents Forschungsteam im Jahr 2010 endlich, ein neues Bakterium zu erschaffen. Craig Venter glaubt, dass „dies die erste Spezies auf der Erde ist, deren Vorfahren Computer sind, die sich selbst replizieren können.“

Aktuell hat Craig Vent eine Reihe neuer Studien gestartet. Er baute seine Jacht in ein Forschungsschiff um und führte seine Teammitglieder auf eine Expedition in die Sargassosee in der Nähe der Bermudainseln, in der Hoffnung, mithilfe lokaler Materialien das Genom aller Mikroorganismen im Ökosystem des Meeresgebiets zu kartieren. Craig Venters ultimatives Ziel ist es, die im Ozean gefundenen Gene zu nutzen, um völlig neue Lebensformen zu entwerfen. Solches Leben wäre in der Lage, Kohlendioxid zu binden, den Treibhauseffekt einzudämmen, Atommüll zu beseitigen und große Mengen Wasserstoffatome zu produzieren. Die Entwicklung dieser neuen Lebensform hat das Potenzial, die globale Energiewirtschaft zu verändern.

Craig Vents Forschungsreise reichte von der Sequenzierung des menschlichen Genoms über die künstliche Synthese von Bakterien bis hin zur Suche nach nützlichen Genen im Ozean zur Schaffung neuen Lebens. Dabei zieht sich stets ein Leitmotiv durch: Von den Genen zum Leben. Ob es um das Verständnis von Genen, die Synthese von Genen oder die Entdeckung neuer Gene geht, Craig Vents gesamte Forschung zielt darauf ab, einen Plan zur Schaffung von Leben zu entwerfen und letztlich die Mission des künstlichen Lebens zu verwirklichen und die wichtige Frage zu beantworten: „Kann die Wissenschaft wirklich Leben schaffen?“

Ein Durchbruch bei der Synthese künstlicher Hefechromosomen

Bakterien und Hefen sind typische Vertreter der Prokaryoten bzw. Eukaryoten. Die Fähigkeit, die Genome dieser beiden zu synthetisieren, wird eine wichtige theoretische Grundlage für synthetisches Leben legen und den Wissensschatz über künstliches Leben bereichern. Wissenschaftler brauchten mehr als ein Jahrzehnt, um das Genom von Bakterien, also Prokaryoten, zu synthetisieren und neues Leben zu erschaffen. Als eukaryotischer Organismus verfügt Hefe über ein Genom mit 16 Chromosomen. Man kann sich daher vorstellen, wie komplex und schwierig seine Synthese ist.

Zu diesem Zweck wurde das Yeast Genome Synthesis Project (Sc2.0) international ins Leben gerufen. Dies ist der erste Versuch des Menschen, das Genom eukaryotischer Organismen von Grund auf neu zu entwerfen und zu synthetisieren, mit dem Ziel, alle 16 Chromosomen von Saccharomyces cerevisiae neu zu entwerfen und zu synthetisieren. Das Projekt wurde 2011 ins Leben gerufen und umfasst mehr als 200 Wissenschaftler aus China, den USA, Großbritannien, Singapur, Australien und anderen Ländern.

Die Forscher standen bei der Synthese der Hefegenomsequenz von Grund auf vor zahlreichen Herausforderungen. Da das Hefegenom eine große Anzahl repetitiver Sequenzen enthält, entfernten sie Transposons und repetitive Elemente und kodierten Stopcodons neu. Gleichzeitig löschten, fügten und ersetzten die Forscher Basen in der Gensequenz, um sicherzustellen, dass der synthetische Stamm den gleichen Phänotyp wie der natürliche Stamm hatte und gleichzeitig die Stabilität des Genoms gewährleistet war.

Das Hefegenomstrukturmodell, das auf dem Cover von Science im Jahr 2017 abgebildet war, wobei Gold vollständig synthetisierte Chromosomen und Weiß natürliche Chromosomen darstellt

(Bildquelle: Offizielle Science-Website)

Auf Grundlage der oben genannten Prinzipien und Standards gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jef Boeke von der New York University im Jahr 2014, das erste künstliche Hefechromosom zu erzeugen – das kleinste Chromosom 3. Diese Leistung legte den Grundstein für die eukaryotische Genomsynthese.

Bis 2017 hatte das Sc2.0-Team die künstliche Synthese von 5 der 16 Chromosomen im Hefegenom abgeschlossen, 4 davon wurden von chinesischen Wissenschaftlern fertiggestellt. Insbesondere war das Team unter der Leitung von Akademiker Yuan Yingjin von der Universität Tianjin für die Synthese der Chromosomen 5 und 10 verantwortlich; Das Team unter der Leitung des Forschers Dai Junbiao von der Tsinghua-Universität war für das Design und die Synthese des Chromosoms 12 verantwortlich. und das Team unter der Leitung von Akademiker Yang Huanming von BGI war für das De-novo-Design und die vollständige Synthese des Hefechromosoms 2 verantwortlich.

Bis 2023 wird das Sc2.0-Projekt einen neuen Meilenstein erreichen. Das Team unter der Leitung des Forschers Yue Shen vom BGI wird das De-novo-Design und die Totalsynthese der Hefechromosomen 7 und 13 sowie die Konstruktion eines neuen tRNA-Chromosoms abschließen. Dies markiert den erfolgreichen Abschluss der Synthese aller 16 Chromosomen der Hefe. Darüber hinaus gelang es dem Team, einen Hefestamm zu konstruieren, der zu 50 % aus synthetischer DNA besteht. Dieser Hefestamm kann sich nicht nur aktiv vermehren, sondern weist auch eine normale Zellmorphologie, -länge und -form auf.

Im Jahr 2023 wurde in einem in Cell veröffentlichten Artikel der Integrationsprozess von Hefechromosomen beschrieben: Hefezellen mit unterschiedlichen synthetischen Chromosomen wurden hybridisiert, und bei den Nachkommen wurden Individuen gefunden, die zwei synthetische Chromosomen trugen. Nach einem langen Hybridisierungsprozess integrierten die Wissenschaftler nach und nach alle Chromosomen, die sie zuvor synthetisiert hatten (6 vollständige Chromosomen und 1 Chromosomenarm), in dieselbe Zelle.

(Bildquelle: Referenz [5])

Chinesische Wissenschaftler, die am Hefegenomsyntheseprojekt teilnehmen, von links nach rechts: Li Bingzhi, Dai Junbiao, Yang Huanming, Yuan Yingjin, Shen Yue

(Fotoquelle: People's Daily)

Künstliche Zellen nochmals verbessert: nah an echten lebenden Zellen

Künstlich synthetisierte Bakterien und Hefen lösen das Problem der Genomsynthese größtenteils, doch lebende Zellen sind zur Erfüllung ihrer Funktionen immer noch hauptsächlich auf Proteine ​​angewiesen. Am 23. April 2024 veröffentlichten amerikanische Wissenschaftler ein aktuelles Forschungsergebnis in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. Sie schufen durch Manipulation von DNA und Proteinen künstliche Zellen, die menschlichen Zellen ähnelten. Dieses Ergebnis ist für die Bereiche regenerative Medizin, Arzneimittelverabreichung und Diagnoseinstrumente von großer Bedeutung.

Das Zellgerüst ist eine wichtige Gerüststruktur innerhalb der Zelle, die aus einer Reihe dynamischer Polymere besteht. Es spielt eine wichtige Rolle bei Schlüsselprozessen wie Zellteilung, Bewegung und Morphogenese. Ohne das Zellgerüst werden Struktur und Funktion der Zelle beeinträchtigt. Die Zytogerüste natürlicher Zellen haben komplexe Strukturen und sind rekonfigurierbar. Sie können sich an verschiedenen Orten zusammensetzen und ihre eigenen Strukturen und mechanischen Eigenschaften dynamisch anpassen. Peptide sind ein vielversprechendes Material für den Aufbau eines künstlichen Zytoskeletts. Derzeit beschäftigen sich Forscher intensiv mit dem rationalen Design von Peptiden, um ihnen die Selbstorganisation zu verschiedenen Strukturen zu ermöglichen. Allerdings ist die Realisierung peptidbasierter Systeme in zellähnlichen Umgebungen noch immer begrenzt.

Hauptbestandteile von Zellen und Geweben sind Proteine, die bei der Bildung des Zellgerüsts eine unverzichtbare Rolle spielen. Normalerweise kommt DNA nicht in Zellgerüsten vor, aber die Forscher dieser Studie haben die DNA-Sequenz so umprogrammiert, dass sie zu einem „Baumaterial“ wird, das sich mit Proteinelementen – Peptiden – verbindet und so eine neue Art von Zellgerüst bildet, das seine Form verändern und auf die Umgebung reagieren kann. Dies ist eine neue Idee für künstliche Zellen.

Tatsächlich ist die Neuprogrammierung der DNA nicht das erste Mal. In einer 2023 in Nature Communications veröffentlichten Studie zeigten Forscher, dass fünf Oligonukleotide (DNA) zu Nanoröhren oder Fasern mit einstellbarer Dicke und Länge um vier Größenordnungen geformt werden können. Diese Strukturen sind in zellähnliche Vesikel integriert und um die Außenseite der Vesikel gewickelt – sie fungieren als Zellgerüst. DNA-Reprogrammierungsstrategien können für das Bottom-up-Design synthetischer Zellen und Gewebe sowie für die Erzeugung intelligenter Materialgeräte für die Medizin verwendet werden.

Durch die Neuprogrammierung der DNA können Wissenschaftler neue Zellen mit spezifischen Funktionen schaffen und sogar die Reaktion der Zellen auf äußeren Stress feinabstimmen. Obwohl lebende Zellen komplexer sind als synthetische Zellen, reagieren sie auch empfindlicher auf raue Umgebungen wie hohe Temperaturen, während synthetische Zellen sogar bei 50 °C stabil sind, was die Möglichkeit eröffnet, Zellen in Umgebungen herzustellen, die für menschliches Leben nicht geeignet sind.

Synthetische Zellen können mit nahezu jedem Arzneimittelmolekül beladen werden. Durch die Zugabe winziger Magnetpartikel und die Verwendung von Magneten außerhalb des Körpers zur präzisen Steuerung können sie mit hohen Dosen auf kleine Bereiche gezielt angewendet werden, ohne andere Körperteile zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann bei der Krebsbehandlung die Beladung von Krebsmedikamenten mit synthetischen Zellen deren Wirksamkeit verbessern und potenzielle Schäden an Zellen in anderen Körperteilen deutlich reduzieren.

Das Forschungsteam sagte, die Forschung werde den Menschen helfen, das Leben zu verstehen. Mithilfe der synthetischen Zelltechnologie können Wissenschaftler nicht nur die Funktionen der Natur „nachbilden“, sondern sie hat auch das Potenzial, in Bereichen wie der Biotechnologie und der regenerativen Medizin große Veränderungen herbeizuführen.

Konstruktion synthetischer Zellgerüste mittels Peptid-DNA-Nanotechnologie

(Bildquelle: Referenz [6])

Abschluss

Das Studium künstlichen Lebens ist für den Menschen ein wichtiger Weg, das Leben zu verstehen. Derzeit ist es Wissenschaftlern gelungen, Bakterien, halbsynthetische Hefen und künstliche Zellen künstlich zu synthetisieren, die eher wie lebende Zellen funktionieren. Dadurch wird nicht nur die Entwicklung des Bereichs der Biowissenschaften vorangetrieben, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung der regenerativen Medizin geleistet und gleichzeitig kontinuierlich komplexes neues Leben geschaffen.

Vielleicht wird der Mensch in naher Zukunft in der Lage sein, gesunde Organgewebezellen künstlich zu synthetisieren, um beschädigtes oder erkranktes Gewebe zu ersetzen und so die gesunde Lebensspanne des Menschen zu verlängern. Dies spiegelt nicht nur den Fortschritt von Wissenschaft und Technologie wider, sondern markiert auch die weitere Vertiefung unseres Verständnisses der Natur des Lebens.

Quellen:

1. Gibson et al. Vollständige chemische Synthese, Zusammensetzung und Klonierung eines Mycoplasma genitalium-Genoms. Science, 2008, 319(5867): 1215-1220.

2. Gibson et al. Schaffung einer Bakterienzelle, die durch ein chemisch synthetisiertes Genom gesteuert wird. Science, 2010, 329(5987): 52-56.

3.Xie et al. „Perfektes“ Designer-Chromosom V und Verhalten eines Ringderivats. Science, 2017, 355, eaaf4704

4.Schindler et al. Entwurf, Konstruktion und funktionelle Charakterisierung eines tRNA-Neochromosoms in Hefe. Cell, 2023. DOI: 10.1016/j.cell.2023.10.015

5.Zhao et al. Durch das Debuggen und Konsolidieren mehrerer synthetischer Chromosomen werden kombinatorische genetische Interaktionen sichtbar. Cell, 2023, 186: 5220–5236

6.Daly et al. Designer-Peptid-DNA-Zytoskelette regulieren die Funktion synthetischer Zellen. Nature Chemistry, 2024.