Nachgeahmte Lebensprozesse – die Module biologischer Systeme
It has, I believe, been often remarked that a hen is only an egg’s way of making another egg.
Samuel Butler, in Life and Habit, 1877
Was war zuerst, Henne oder Ei, und was ist Zweck und was Mittel? Gibt es das Ei, damit daraus eine Henne erwächst, oder ist die Henne nur Mittel, und das Ei der eigentliche Zweck wie Samuel Butler es 1877 in Life and Habit formulierte? Über diese Frage streiten Naturwissenschaftler und noch mehr Philosophen seit Jahrhunderten.
Ohne die Antwort darauf geben zu können, ist es aber offensichtlich, dass die Vermehrung, genauer gesagt die Replikation von Organismen und biologischen Zellen, zum allgemeinen Programm allen biologischen Lebens gehört.
Wenn eine biologische Zelle sich selbst replizieren soll, muss sie im Wesentlichen zwei Schritte vollziehen: Sie muss alle funktionalen und strukturellen Teile duplizieren und diese räumlich trennen (Segregation). Prinzipiell ist die Replikation auch ohne den zweiten Schritt denkbar, dann aber wäre dem Prinzip der Kompartimentierung (zu Cluster A: Mikrokompartimente) nicht genüge getan. Die Kompartimentierung aber ist Voraussetzung, um individuelle Lebewesen voneinander unterscheiden zu können. Replikation ohne Segregation findet zum Beispiel in der Zellfreien Biosynthese statt (zu Zellstrukturen und Bionano-Maschinen bauen).
Minimaldivisom
Als Divisom wird die Gesamtheit aller an der Zellteilung beteiligten Proteine bezeichnet. Viele Aufgaben und Funktionen biologischer Zellen werden durch mehrere parallele Systeme bewältigt, man spricht hierbei von der Redundanz des Genoms (zu Zellen mit Minimalgenom). Auch der Prozess der Zellteilung ist in natürlichen Zellen redundant angelegt. Das heißt, ein funktionales Divisom, also eine funktionierende Zellteilungsmaschinerie, müsste sich theoretisch mit weniger Proteinen bewerkstelligen lassen als in natürlichen Zellen. Diese Minimalausstattung der Zellteilungsmaschinerie versuchen die Forscher von MaxSynBio in einem Arbeitspaket ‚Minimaldivisom‘ des Clusters nachgeahmte Lebensprozesse zu identifizieren. Die reduzierte Proteinmaschinerie soll in der Lage sein, ein membranbasiertes Kompartiment in zwei gleich große Teile, also zwei künstliche Tochterzellen zu teilen. Dabei orientieren wir uns in MaxSynBio an den verschiedenen Mechanismen, die in Bakterien (Prokaryoten), Pflanzen- und Tierzellen (Eukaryoten) sowie in Urbakterien (Archaeen) entwickelt wurden. In einem weiteren Schritt soll das Kompartiment nicht nur geteilt werden, sondern auch ein einfaches Modellgenom dupliziert werden (zu DNA und Genome herstellen).
Zelluläre Polarisation
Für die Segregation von Zellbestandteilen ist es notwendig, eine Richtung der räumlichen Trennung vorzugeben. In dem Bakterium Escherichia coli etwa wird, wie in vielen anderen biologischen Zellen auch, zunächst das Genom, die DNA, dupliziert. Anschließend werden die beiden Kopien des Genoms entzerrt und in zwei unterschiedliche Richtungen verschoben. Diese Ausbildung von Richtungen (Polarisation) ist ein wesentlicher Prozess in der biologischen Zelle, der auch für eine künstliche Zelle erforderlich ist und den wir daher bei MaxSynBio im Cluster ‚Nachgeahmte Lebensprozesse‘ untersuchen. In Escherichia coli sind die Min-Proteine an der Ausbildung einer solchen zellulären Polarisation wesentlich beteiligt. Uns ist es bereits gelungen, mit Hilfe derselben Proteine auch polarisierende Muster auf künstlichen Biomembranen zu erzeugen. Der nächste Schritt besteht nun darin, diese polarisierenden Proteine in Kompartimente einzubringen.
In der Biologie gibt es für fast jede Aufgabe viele verschiedene Lösungen. Das gilt auch für die zelluläre Polarisation. So untersuchen wir bei MaxSynBio neben dem Min-System noch weitere Polarisations-Systeme, wie etwa das Cdc42- und das Par-System. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit weiteren Prozessen der Selbstorganisation sowie der eigentlichen Zellteilung.
Morphogenetische Membranen
In einem besonders reduktionistischen Ansatz können einfach Lipidvesikel oder gar Tröpfchen als Modelle für biologische Zellen dienen (zu Cluster A: Mikrokompartimente). Für viele zelluläre Funktionen des Stoffwechsels (zu Cluster B: Nicht-Gleichgewichtsprozesse) sowie der Zellteilung sind jedoch Membranen mit besonderen Eigenschaften nötig, die über einfache Lipiddoppelschichten hinausgehen. Eine einfache morphogenetische Membran, das heißt eine Membran mit besonders ausgebildeten Strukturen, sollte daher beispielsweise über ein einfaches Zytoskelett verfügen und einfachste Signalprozesse sowie den Transport von Stoffen durch die Membran (Endo- und Exozytose) möglich machen.
Selbst-organisierende Systeme funktionaler biomimetischer Module
In den unterschiedlichen Clustern von MaxSynBio werden verschiedene Bestandteile einer möglichen künstlichen Zelle identifiziert, getestet und mit anderen Systemen, im Wesentlichen einer Kompartimentstruktur (zu Cluster A Mikrokompartimente) kombiniert. Diese Vorhaben betreiben wir nicht nur als Gedankenexperiment, sondern setzen sie ganz real im Labor um. Letzten Endes sollen alle Komponenten einer möglichen künstlichen Zelle in eine gemeinsame Struktur integriert werden – eine zell-ähnliche Struktur, die sich selbst replizieren kann und damit der Idee einer künstlichen Zelle schon sehr nahe kommt (zu Zellstrukturen und Bionano-Maschinen bauen). Da dies experimentell aber ein gewaltiger Schritt ist, bemühen sich die Wissenschaftler anhand mathematischer Modelle und rechnergestützter Simulationen, solche integrierten Systeme vorauszuberechnen. Mit diesem systembiologischen Ansatz wollen wir zum einen das Verhalten der künstlichen Zellen im Voraus berechnen und optimieren. Zum anderen können wir mit einer solchen Modellierung künstliche Zellen danach erkunden, inwieweit sich diese als Bioreaktoren möglicher technischer und medizinischer Anwendungen einsetzen lassen.