Wissenschaftler konstruieren Energieerzeugungseinheit für eine synthetische Zelle
Wissenschaftler der Universität Groningen haben synthetische Vesikel konstruiert, in denen ATP, der wichtigste Energieträger in lebenden Zellen, produziert wird. Die Vesikel nutzen das ATP, um ihr Volumen und ihre Homöostase der Ionenstärke aufrechtzuerhalten. Dieses metabolische Netzwerk wird schließlich bei der Herstellung synthetischer Zellen eingesetzt - kann aber bereits heute zur Untersuchung ATP-abhängiger Prozesse genutzt werden. In einem Artikel, der am 18. September in Nature Communications veröffentlicht wurde, beschrieben die Forscher das synthetische System.
Dies ist der Eindruck eines Künstlers von einer synthetischen Zelle mit dem ATP-Produktionssystem in Grün.
Bert Poolman / BaSyC consortium
Unser Ziel ist der Bottom-up-Aufbau einer synthetischen Zelle, die sich selbst tragen kann und die wachsen und teilen kann", erklärt der Professor für Biochemie der Universität Groningen, Bert Poolman. Er ist Teil eines niederländischen Konsortiums, das 2017 von der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung einen Gravitationsstipendium erhielt, um dieses Ziel zu verwirklichen. Verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern produzieren verschiedene Module für die Zelle und Poolman's Gruppe wurde mit der Energieerzeugung beauftragt.
Gleichgewicht
Alle lebenden Zellen produzieren ATP als Energieträger, aber eine nachhaltige Produktion von ATP im Reagenzglas ist keine leichte Aufgabe. In bekannten synthetischen Systemen wurden alle Komponenten für die Reaktion in ein Vesikel integriert. Nach etwa einer halben Stunde erreichte die Reaktion jedoch ein Gleichgewicht und die ATP-Produktion ging zurück", erklärt Poolman. "Wir wollten, dass unser System vom Gleichgewicht fern bleibt, genau wie in lebenden Systemen.
Es dauerte fast vier Jahre, bis drei Doktoranden in seiner Gruppe ein solches System konstruierten. Ein Lipidvesikel wurde mit einem Transportprotein ausgestattet, das das Substrat Arginin importieren und das Produkt Ornithin exportieren konnte. Im Inneren des Vesikels waren Enzyme vorhanden, die das Arginin in Ornithin zerlegten. Die freie Energie, die diese Reaktion lieferte, wurde genutzt, um Phosphat mit ADP zu verbinden und ATP zu bilden. Ammonium und Kohlendioxid wurden als Abfallprodukte produziert, die durch die Membran diffundierten. Der Export von Ornithin, das im Inneren des Vesikels produziert wird, treibt den Import von Arginin voran, das das System so lange am Laufen hält, wie die Vesikel mit Arginin versorgt werden", erklärt Poolman.
Transportprotein
Um ein Ungleichgewichtssystem zu schaffen, wird das ATP verwendet, um die Ionenstärke im Inneren des Vesikels aufrechtzuerhalten. Ein biologischer Sensor misst die Ionenstärke und wenn diese zu hoch wird, aktiviert er ein Transportprotein, das eine Substanz namens Glycinbetain importiert. Dies erhöht das Zellvolumen und reduziert somit die Ionenstärke. Das Transportprotein wird durch ATP angetrieben, so dass wir sowohl die Produktion als auch die Verwendung von ATP in der Vesikel haben.
Das System wurde 16 Stunden lang in dem längsten Experiment, das die Wissenschaftler durchgeführt haben, betrieben. Das ist ziemlich lang - einige Bakterien können sich schon nach 20 Minuten teilen", sagt Poolman. "Das derzeitige System sollte für eine synthetische Zelle ausreichen, die sich alle paar Stunden einmal teilt. Schließlich werden verschiedene Module wie dieses zu einer synthetischen Zelle kombiniert, die autonom funktioniert, indem sie ihre eigenen Proteine aus einem synthetischen Genom synthetisiert.
Künstliches Chromosom
Das aktuelle System basiert auf biochemischen Komponenten. Die Kollegen von Poolman an der Universität Wageningen & Research sammeln jedoch die Gene, die für die Produktion der vom System verwendeten Enzyme benötigt werden, und integrieren sie in ein künstliches Chromosom. Andere arbeiten zum Beispiel an der Lipid- und Proteinsynthese oder der Zellteilung. Die letzte synthetische Zelle sollte DNA für alle diese Module enthalten und sie autonom wie eine lebende Zelle betreiben, aber in diesem Fall von unten nach oben und mit neuen Eigenschaften. Aber das ist noch lange nicht erledigt. Inzwischen nutzen wir bereits unser ATP-Produktionssystem, um ATP-abhängige Prozesse zu untersuchen und den Membrantransport voranzutreiben", sagt Poolman.
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Originalveröffentlichung
Tjeerd Pols, Hendrik R. Sikkema, Bauke F. Gaastra, Jacopo Frallicciardi, Wojciech M. Smigiel, Shubham Singh and Bert Poolman; "A synthetic metabolic network for physicochemical homeostasis"; Nature Communications; 18 September 2019
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