ForscherInnen der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, künstliche Zellverbände zu erzeugen, die sogar miteinander kommunizieren können. Die durch Fettmembranen getrennten Zellen können kleine chemische Signalmoleküle austauschen und dabei komplexere Reaktionen wie die Herstellung von RNA oder Eiweißen auslösen.
Weltweit arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, künstliche, zellartige Systeme zu generieren, die das Verhalten lebender Zellen oder Organismen nachbildend. Nun ist es erstmals gelungen, solche künstlichen Zellverbände in einer festen räumlichen Anordnung zu erzeugen. Der Clou dabei: Die Zellen kommunizieren sogar miteinander.
"Unser System ist ein erster Schritt hin zu gewebeähnlichen, synthetischen biologischen Materialien, die komplexes raumzeitliches Verhalten zeigen und in denen sich einzelne Zellen ähnlich wie biologischen Organismen spezialisieren oder ausdifferenzieren könnten", erklärte Friedrich Simmel, Professor für die Physik Synthetischer Biosysteme an der TU München.
Als Grundbausteine für ihre künstlichen Zellen wählten die ForscherInnen Gele bzw. Emulsionströpfchen, umgeben von dünnen Fett- oder Polymermembranen. In den nur 10 bis 100 Mikrometer kleinen Reaktionseinheiten laufen chemische oder biochemische Reaktionen ungestört ab.
Aus den "Einzelzellen" bauten die WissenschaftlerInnen zunächst künstliche mehrzellige Strukturen auf, die sogenannten "Mikro-Gewebe". Die verwendeten biochemischen Reaktionslösungen im Inneren der Tröpfchen waren zudem in der Lage, RNA oder Proteine herzustellen. Die künstlichen Zellen zeigten also eine Art Genexpression.
Doch die künstlichen Zellen können noch mehr: Beispielsweise wurden kleine "Signalmoleküle" über die Membranen selbst oder über in die Membranen eingebaute Proteinkanäle zwischen den Zellen ausgetauscht. Die Zellen sprachen also miteinander. Über diese zeitlich-räumliche Kopplung bildeten sie ein dynamisches System, ganz wie im realen Leben.
Die chemischen Pulse übermittelten Informationen weiter, sodass sich anfänglich identische Zellen unterschiedlich weiterentwickelten. "Unser System ist das erste Beispiel eines multizellulären Systems, in dem künstliche Zellen mit Genexpression eine feste Anordnung haben und über chemische Signale miteinander gekoppelt sind. Auf diesem Wege erreichen wir damit eine Form der räumlichen Differenzierung", so Simmel weiter.
Solche synthetischen Systeme zu entwickeln ist wichtig, weil sie ein Studium grundlegender Fragen nach dem Ursprung des Lebens im Modell erlauben. Komplexere Organismen waren erst möglich, als sich Zellen spezialisieren und die Arbeit zwischen kooperierenden Zellen aufteilen konnten. Wie dies passierte, ist eine der spannendsten Fragen der Grundlagenforschung.
Mit einer Art Modulbaukasten maßgeschneiderter Zellsysteme wollen die Forschenden künftig verschiedene Eigenschaften biologischer Systeme nachbilden. Zellen sollen auf ihre Umgebung reagieren und eigenständig handeln lernen. Auch erste Anwendungen scheinen möglich: Die künstlichen Zellverbände lassen sich langfristig als Minifabriken einsetzen, um gezielt Biomoleküle zu produzieren, oder als winzige Sensoren in der Mikrorobotik, die Informationen verarbeiten und sich an ihre Umgebung anpassen können.