Zellaufbau im Labor

Forscher an der Harvard University haben ein funktionierendes künstliches Ribosom geschaffen – jenen Bestandteil einer Zelle, der Proteine herstellt. Dabei gingen sie Molekül für Molekül vor und bauten den biologischen Apparat von Grund auf neu. Der Durchbruch gilt Experten als möglicherweise bedeutsamer Schritt hin zur Schaffung "echten" künstlichen Lebens und könnte gleichzeitig wichtige Fragen über den Ursprung des Zellapparats beantworten helfen, die die Wissenschaft noch immer hat. Gleichzeitig sind industrielle Anwendungen denkbar. Das Forscherteam würde gerne molekulare Maschinen schaffen, die Proteine effizienter herstellen als aktuelle Techniken. Außerdem könnten sie eingesetzt werden, um genaue Spiegelbilder von Proteinen aus der Natur zu produzieren. Beide Verfahren könnten die pharmazeutische Industrie deutlich weiterbringen.

Um die künstlichen Proteinfabriken herzustellen, zerlegten der Harvard-Genetiker George Church – einer der Begründer des neuen Feldes der Synthetischen Biologie – und sein Postdoc Mike Jewett zunächst Ribosomen des bekannten Bakteriums E. coli in ihre molekularen Bausteine. Dann nutzten sie Enzyme, um die verschiedenen RNA- und Protein-Bestandteile wieder zusammenzusetzen. Im Reagenzglas bildeten diese Komponenten spontan funktionierende Ribosomen. Während Forscher zwar bereits in den Sechzigerjahren erstmals Ribosomen wiederhergestellt hatten, die aus einer komplexen RNA- und Protein-Konfiguration bestanden, erwiesen sich diese frühen Varianten als schlechte Protein-Produzenten. Zudem wurden sie unter chemischen Bedingungen hergestellt, die ganz anders waren als bei einer normalen Zelle. Chruchs Kreation ist ganz anders.

Die Forscher nutzten ihr künstliches Ribosom, um erfolgreich das Enzym Luziferase zu produzieren, ein Glühwürmchen-Protein, das dafür sorgt, dass die Tiere leuchten. Auf längere Sicht plant Church die Herstellung von klitzekleinen Proteinfabriken, die aus maßgeschneiderten Ribosomen bestehen. "Wir wollen große Mengen von Spezialproteinen schaffen, die sich nur schwer im lebenden Organismus herstellen lassen und die sich beispielsweise für die Impfstoffherstellung eignen."

Außerdem will das Forscherteam Ribosomen schaffen, die sich selbst replizieren können. Dazu haben sie eine Liste aus 151 Genen geschaffen, die dafür notwendig sind: Darunter sind Gene für Ribosomen-Proteine, verschiedene RNA-Typen, Enzyme, die diverse Reaktionen in der Protein-Synthese katalysieren und zusätzliche Gene, die nicht direkt mit Ribosomen zu tun haben. "Wir denken, dass das genug ist, um die DNA zu replizieren, RNA und Ribosomen zu produzieren. Wir verfügen außerdem bereits über eine primitive Membran", sagt Church. Einmal fertig gestellt, sollte es ausreichen, dem Konstrukt Aminosäuren und Nukleotiden zur Verfügung zu stellen, die Bausteine von DNA und RNA, glaubt der Forscher.

Sobald das System läuft, soll es genetisch zu einer effizienten Proteinfabrik optimiert werden. Proteinprodukte wie biologische Medikamente werden heute vor allem in Bakterientanks hergestellt. Eine wenig effiziente Praxis: "Wenn man sie in lebenden Bakterien produziert, muss man 90 Prozent der Biomasse wegwerfen, nur um ein paar Gramm des gewünschten Proteins zu erhalten", sagt David Deamer, Chemiker an der University of California in Santa Cruz. Ohne lebende Organismen sei der Prozess womöglich wesentlich effizienter.

Church und sein Team wollen mit den Ribosomen außerdem neue Proteinklassen schaffen – solche, die ein Spiegelbild ihrer natürlichen Vorbilder sind. Proteine und viele andere Moleküle kommen in der Natur meist nur in einer räumlichen Form. Natürliche Aminosäuren etwa sind überwiegend linksdrehend. Und genauso, wie ein Handschuh nur auf eine Hand passt, können linksdrehende Enzyme nur Reaktionen katalysieren, deren Substrat die korrekte Ausrichtung hat. Das bedeutet, dass Spiegelbild-Moleküle durch reguläre Enzyme nicht abgebaut werden können. Das dürfte wichtige industrielle Anwendungsfelder eröffnen, etwa die Schaffung langlebiger Enzyme für die Biofermentation, die zur Schaffung von Biokraftstoffen und anderen Produkten eingesetzt wird.

Die Pharmaindustrie würde ebenfalls von einer solchen Technik profitieren. Im Gegensatz zu biologischer Synthese produziert die chemische Synthese eine Mischung aus links- und rechtsdrehenden Molekülen. Bei vielen Medikamenten – besonders bekannt ist hier Contergan – ist nur eine Variante nützlich, die andere sogar schädlich. Es ist teuer, beide Varianten zu trennen. Eine effiziente Herstellungsalternative, die nur die gewünschte Form produziert, wäre für die Anbieter also ideal. Church und Jewett haben bislang allerdings noch keine Spiegelbild-Proteine mit Hilfe ihres künstlichen Ribosoms erstellt, doch sie glauben, dass sich diese mit einer Veränderung weniger Moleküle in dem Enzym herstellen ließen, das Aminosäuren zu Proteinen macht.

Das künstliche Ribosom hätte außerdem noch einen wesentlich breiteren Nutzen. Es ist ein wichtiger Schritt hin zur Schaffung künstlichen Lebens – einer Zelle, die sich selbst zusammensetzen und replizieren kann. Forscher wollen Organismen komplett neu aufbauen, um erstens besser zu verstehen, wie die Biologie im Innersten funktioniert, sowie neue, hochgradig angepasste Lebensformen schaffen, die dann beispielsweise Kraftstoffe produzieren, Umweltgifte beseitigen oder andere nützliche Aufgaben übernehmen.

Hinzu kommt, dass Ribosomen womöglich dabei helfen, wichtigen unbeantworteten Fragestellungen auf den Grund zu gehen. "Wie entwickelten sich die ersten Ribosomen oder ähnliche Strukturen, während das Leben zu dem wurde, was wir heute kennen?", fragt Deamer. Die Optimierung eigener Ribosomen könnte Church hier viel verraten. Außerdem weiß noch niemand, warum fast jeder Baustein des Lebens linksdrehend ist. "Das ist ein Mysterium", meint Fred Blattner, Genetiker an der University of Wisconsin-Madison. "Ist das einfach so passiert oder gibt es einen Grund, den wir noch nicht kennen?" Mit linksdrehenden Ribosomen könnte die Antwort auf diese Frage in greifbare Nähe rücken.

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(bsc)