Milestone‘: Scientists claim to build synthetic cell, raising concerns in step toward artificial life

Der „Bottom-Up“-Ansatz: 36 Gene und Liposomen

Anstatt eine existierende Zelle zu vereinfachen, wählten die Forscher unter der Leitung der Synthetik-Biologin Kate Adamala einen radikalen Weg. Sie bauten die Zelle von Grund auf aus chemisch definierten, nicht lebenden Bestandteilen auf. Die Basis bilden Liposomen – wassergefüllte Kugeln, die von öligen Membranen umschlossen sind.

Wie Smithsonian Magazine berichtet, enthält das Genom der SpudCell lediglich 36 Gene, die für essenzielle Funktionen kodieren. Diese stammen größtenteils von E. coli-Bakterien, ergänzt durch Sequenzen von Phagen-Viren und ein Gen für ein fluoreszierendes Protein aus Quallen, das die Zellen unter dem Mikroskop sichtbar macht.

Dieser Ansatz unterscheidet sich grundlegend von früheren Versuchen. Im Jahr 2016 wurde beispielsweise ein Bakterium mit 901 Genen auf 473 Gene reduziert. Adamala und ihr Team starteten hingegen mit einer minimalen Auswahl, um jede einzelne Komponente vollständig zu verstehen.

Die Benennung „SpudCell“ leitet sich von der kartoffelartigen Optik der Zellen ab. Adamala erklärte dies mit ihrem polnischen Erbe und scherzte: „Ich bestehe größtenteils aus Kartoffeln“.

Wachstum und Teilung durch externe Zufuhr

Die SpudCell ist kein autarkes System. Sie verhält sich wie ein Organismus, solange sie in einer speziellen Nährlösung schwimmt. Die Zellen nehmen ATP auf, die primäre Energiewährung allen bekannten Lebens, und verschmelzen mit sogenannten „Feeder-Liposomen“, die notwendige Enzyme liefern.

Die Zellteilung erfolgt über einen mechanischen Prozess. Proteine binden sich an Poren in der Membran und drängen gegeneinander, wodurch sich die Oberfläche nach innen wölbt. Dieser Vorgang führt dazu, dass sich ein Teil der SpudCell abschnürt und eine neue Blase bildet.

Trotz dieser Fähigkeiten ist die Effizienz gering. Fox News berichtet, dass die Zellen auf Ribosomen angewiesen sind, die aus E. coli-Bakterien gereinigt wurden. Ohne diese externe Unterstützung können die synthetischen Zellen keine eigenen Proteine herstellen.

Die Grenze zwischen Chemie und Leben

Ob die SpudCell als „lebendig“ gelten kann, ist Gegenstand wissenschaftlicher Debatten. Sie zeigt zwar Merkmale wie Wachstum und Reproduktion, scheitert aber an der langfristigen Stabilität. Nach etwa fünf Generationen bricht das System zusammen. Die Forscher stellten fest, dass nur etwa 30 Prozent der Tochterzellen das vollständige synthetische Genom erbten.

Ein bemerkenswerter Erfolg ist jedoch die Demonstration einer primitiven Form der natürlichen Selektion. Durch das gezielte Einbringen einer genetischen Mutation konnten einige Zellen schneller wachsen als andere. Diese überlegenen Zellen produzierten mehr Nachkommen und dominierten nach mehreren Generationen die Population.

„Es ist nicht so robust, schnell oder gut in den meisten seiner Funktionen wie eine natürliche Zelle, aber es ist ein Machbarkeitsbeweis dafür, dass Moleküle Verhaltensweisen rekonstruieren können, die wir bis jetzt nur mit natürlichen lebenden Zellen in Verbindung gebracht haben.“
Kate Adamala, University of Minnesota

Adamala setzt die Messlatte für die Definition von Leben hoch. Sie erklärte gegenüber New Scientist, dass sie erst dann von einer lebenden Zelle sprechen würde, wenn diese in der Lage sei, sich unendlich zu replizieren und eine echte darwinistische Evolution zu durchlaufen.

Biosicherheit und die Zukunft des Open-Source-Designs

Das Projekt hat weitreichende Implikationen für die Biotechnologie. Die Fähigkeit, minimale Zellen zu konstruieren, könnte die Produktion lebensnotwendiger Chemikalien, wie etwa synthetisches Insulin, optimieren. Das Team plant nun, das SpudCell-Projekt als Open Source zur Verfügung zu stellen, um die Entwicklung durch die globale Forschungsgemeinschaft zu beschleunigen.

Gleichzeitig warnt die Forschungsgruppe vor den Risiken. Je komplexer synthetische Zellen werden, desto dringender wird ein Sicherheitsrahmen erforderlich.

„Dieses Projekt stellt einen bedeutenden Meilenstein für die Evolvierbarkeit synthetischer Zellen dar, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass bald robustere, autonome Systeme verfügbar sein werden. Es unterstreicht die dringende Notwendigkeit, einen Sicherheits- und Schutzrahmen für die zukünftige Entwicklung synthetischer Zellen zu schaffen.“
Forscherteam, University of Minnesota

Während die SpudCell derzeit noch wie ein biologisches Experiment wirkt, erinnert sie an andere Grenzfälle der Biologie. So berichteten Forscher erst kürzlich über Gewebestücke einer Seegurkenart, die über drei Jahre nach einer Amputation Anzeichen von Leben zeigten und als „kleine Labor-Zombies“ bezeichnet wurden. Die SpudCell hingegen ist der Versuch, das Leben nicht zu erhalten, sondern es aus dem Nichts zu erschaffen.

Die Forscher sehen ihre Arbeit als „die erste minimale Zelle mit einem Zellzyklus, genetisch kodiertem Wachstum und Teilung, alles gekoppelt an Selektion und Wettbewerb“. Damit ist die Schwelle von der reinen Chemie hin zu einem funktionierenden biologischen System ein Stück weit überschritten.

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