Ein wichtiger 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. Einem interdisziplinären Forschungsteam von Universitäten und Instituten in Heidelberg, Dortmund, Dresden, Tübingen und Harvard ist es jetzt erstmals gelungen, einen solchen kontraktilen Ring künstlich mit Hilfe von DNA-Nanotechnologie herzustellen und den Kontraktionsmechanismus zu verstehen.

In der synthetischen Biologie versuchen Wissenschaftler, 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 Kerstin Göpfrich von der Uni Heidelberg hat jetzt 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 Forschern 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 „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.

Der theoretische Physiker Jan Kierfeld und sein Doktorand Lukas Weise von der TU Dortmund 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 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 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.

TU Dortmund / RK