Forschungsteam entwickelt wichtigen Baustein für künstliche Zellen
Bei der Zellteilung bildet sich um den Zelläquator ein Ring, der sich zusammenzieht und so die Zelle in zwei Tochterzellen trennt. Prof. Jan Kierfeld und Lukas Weise von der Fakultät Physik der TU Dortmund ist es zusammen mit Forscher*innen aus Heidelberg, Dresden, Tübingen und Harvard erstmals gelungen, einen solchen kontraktilen Ring künstlich mit Hilfe von DNA-Nanotechnologie herzustellen und den Kontraktionsmechanismus zu verstehen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
In der synthetischen Biologie versuchen Wissenschaftler*innen, wesentliche Mechanismen des Lebens wie die Zellteilung im Reagenzglas nachzubauen oder zu imitieren. Ziel der synthetischen Biologie ist es, minimale Zellen künstlich herstellen zu können. Das Forschungsteam um Prof. Kerstin Göpfrich von der Universität Heidelberg hat nun kontraktile Ringe für die Zellteilung synthetisch nachgebildet. Die Polymerringe bestehen dabei aus DNA-Nanoröhren.
Ein wesentlicher Schritt bei der natürlichen Zellteilung ist die Bildung eines Rings, der die zu teilenden Zellen trennt, indem er sich zusammenschnürt. In der Natur ist eine Maschinerie aus Proteinen dafür zuständig: Ein Ring aus Fäden des Proteins Aktin wird dabei durch Motorproteine, die durch chemische Energie aus ATP-Hydrolyse angetrieben werden, zusammengezogen. Adenosintriphosphat, kurz ATP, ist ein Molekül, das in allen lebenden Zellen vorkommt und die Energie für zahlreiche Prozesse in der Zelle liefert.
Die von den Forscher*innen entwickelten DNA-Ringe zeichnen sich dadurch aus, dass der synthetische Kontraktionsmechanismus nicht mehr auf die ATP-getriebenen Motorproteine angewiesen ist. Stattdessen ziehen sich die Polymerringe aufgrund einer molekularen Anziehung zwischen Ringsegmenten zusammen. Die molekulare Anziehung kann auf zwei Weisen entstehen: entweder durch vernetzende Moleküle, die mit zwei „klebenden“ Enden zwei Segmente verbinden, oder durch die Verarmungswechselwirkung, wo die Polymere mit sogenannten „Crowder“-Molekülen umgeben werden, die die Segmente aneinanderdrücken. Dieser Mechanismus verbraucht keine chemische Energie, was bedeutet, dass in der synthetischen Zelle keine Energiequelle für diesen Mechanismus eingebaut werden muss.
Prof. Jan Kierfeld, Professor für Theoretische Physik, und Doktorand Lukas Weise beschäftigen sich mit biologischer Physik. Im Rahmen der Forschungsarbeit haben sie eine theoretische Beschreibung und eine Molekulardynamik-Simulation des Kontraktionsmechanismus entwickelt, die sich mit den experimentellen Ergebnissen der Forschungspartner*innen decken. Dafür erarbeiteten sie spezielle Methoden, um die DNA-Ringe in realistischer Größe simulieren zu können. Die Theorie und Simulation ermöglichen es, quantitativ zu erklären, wie die Polymerringe sich bilden und zusammenziehen. „Das heißt, wir können nicht nur vorhersagen, dass eine Erhöhung der Konzentration der ‚Crowder‘-Moleküle den Ring kleiner macht, sondern auch, um wieviel kleiner“, sagt Prof. Jan Kierfeld. Dadurch lässt sich bestimmen, wie der DNA-Ringdurchmesser präzise kontrolliert werden kann, was für zukünftige Anwendungen der kontraktilen Ringe in der synthetischen Biologie von großer Bedeutung ist.
Mechanismen zur Zellteilung sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer künstlichen Modellzelle. Die Konstruktion künstlicher Zellen erlaubt es, die Funktionsmechanismen natürlicher Zellen und damit die Grundlagen des Lebens besser zu verstehen.
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