Synthetische Biologie heißt das Stichwort: Bereits seit einiger Zeit versuchen Wissenschaftler biologische Systeme künstlich nachzubauen, um sie für den Menschen gezielt nutzbar zu machen. Bisher stand dabei vor allem der Zellstoffwechsel und das Erbmaterial im Vordergrund. Das Ziel der Forscher um Andreas Bausch von der Technischen Universität München war es hingegen, zellähnliche Gebilde mit biomechanischen Funktionen zu entwickeln.
Die „Geschöpfe” der Forscher basieren auf einer Membranhülle, zwei verschiedenen Sorten von Biomolekülen und einer Art Kraftstoff. Die Hülle, auch als Vesikel bezeichnet, besteht aus einer zweischichtigen Lipidmembran, analog zu natürlichen Zellmembranen. Diese Vesikel füllten die Wissenschaftler mit Mikrotubuli, einem röhrenförmigen Bestandteil des Zellskelettes, sowie mit sogenannten Kinesinmolekülen. Kinesine dienen in der Zelle gewöhnlich als molekulare Motoren. Im Konzept der Forscher schieben sie die Mikrotubuli permanent aneinander entlang. Dafür benötigen die Kinesine einen Energieträger: Wie in der Natur ist es auch bei der synthetischen Version der zelluläre Kraftstoff Adenosintriphosphat (ATP).
Wandernde Fehlstellen machen mobil
Die Mikrotubuli-Röhrchen bilden direkt unter der Membran eine Schicht, die ständig in Bewegung ist, erklären die Forscher. “Man kann sich das vorstellen wie Baumstämme, die auf einem See treiben”, erklärt Co-Autor Felix Keber. “Wird es zu dicht, ordnen sie sich parallel an und können doch noch aneinander vorbei treiben.” Entscheidend für die Deformation der künstlichen Zellkonstruktion ist, dass die Schicht Fehlstellen bildet. Da sich die Mikrotubuli durch die Aktivität der Kinesinmoleküle ständig aneinander entlang bewegen, wandern auch diese Fehlstellen. Dies passiert offenbar in einer erstaunlich gleichmäßigen und periodischen Art und Weise, wodurch sie zwischen zwei definierten Anordnungen oszillieren.
Solange das Vesikel eine Kugelform bildet, haben die Fehlstellen noch keinen Einfluss auf die äußere Form der Membran. Aber sobald dem Gebilde über Osmose Wasser entzogen wird, beginnt es sich durch die Bewegungen im Inneren zu verformen. Verliert das Vesikel mehr und mehr Wasser, entstehen aus der überschüssigen Membran sogar Fortsätze, ähnlich wie sie einige Einzeller zur Fortbewegung nutzen. Dabei bilden sich faszinierend viele verschiedene Formen und Dynamiken, berichten die Forscher. “Mit unserem synthetischen biomolekularen Modell haben wir eine ganz neue Möglichkeit geschaffen, minimale Zellmodelle zu entwickeln”, erklärt Bausch. “Es eignet sich ideal, um zelluläre Prozesse, wie Zellmigration oder Zellteilung, nachzubauen”, sagt der Wissenschaftler.
