Entwicklung synthetischer Zellen: Kombination von Phasentrennungstechniken

Lebende Zellen sind wie kleine Fabriken voller verschiedener Teile. Sie haben viele kleine Strukturen, die Organellen genannt werden, und helfen der Zelle, ihre Aufgaben zu erledigen. Im Inneren einer Zelle ist es voll mit Proteinen, Zuckern und anderen Molekülen, die ständig in Bewegung sind und miteinander interagieren. Diese lebhafte Umgebung ist entscheidend für das Leben und die Funktion der Zelle.

#Synthetic Cells bauen

Forscher versuchen, synthetische Zellen zu erschaffen, die echten Zellen nachempfunden sind. Sie verwenden einen Ansatz, der als Bottom-up-Synthetische Biologie bezeichnet wird, was bedeutet, dass sie mit grundlegenden Bausteinen beginnen und diese zusammenfügen, um Systeme zu schaffen, die wie Zellen agieren. Dazu muss man verstehen, wie unterschiedliche Moleküle in überfüllten Umgebungen interagieren, da dies der Weg ist, wie natürliche Zellen funktionieren.

Um synthetische Zellen zu erschaffen, machen Wissenschaftler kleine Behälter, die Vesikel genannt werden. Diese Vesikel können angepasst werden, um bestimmte Moleküle zu enthalten, was zu komplexeren Strukturen darin führen kann. Es können zwei Hauptarten von Strukturen geschaffen werden: solche mit Membranen (wie echte Zellen) und solche ohne Membranen. Letztere Gruppe ist besonders interessant, weil sie sich leicht verändern und bewegen kann.

#Membranlose Organellen

Innerhalb einer Zelle gibt es auch spezielle Strukturen, die membranlose Organellen genannt werden. Diese spielen wichtige Rollen in der Zelle und interagieren oft mit der Zellmembran. Um synthetische Zellen zu schaffen, die gut funktionieren, müssen die Forscher verstehen, wie diese Organellen funktionieren und wie sie im Labor modelliert werden können. Die Idee ist, die wesentlichen Merkmale dieser Organellen nachzubilden, um grundlegende Zellfunktionen zu erreichen und letztlich in spezifischen Weisen anzuwenden.

Ein wichtiges Konzept bei der Bildung dieser Organellen wird als Liquid-Liquid-Phasentrennung (LLPS) bezeichnet. Dies ist der Prozess, bei dem einige Teile eines Gemischs in verschiedene flüssige Zustände getrennt werden. LLPS kann auf zwei Hauptarten geschehen: assoziative Phasentrennung (APS) und segregative Phasentrennung (SPS). APS tritt auf, wenn Moleküle sich gegenseitig anziehen und zusammenkommen, um eine dichte Flüssigkeitsphase zu bilden. Im Gegensatz dazu findet SPS statt, wenn unterschiedliche Moleküle sich nicht gut vermischen und separate Phasen schaffen, die Abstand zueinander halten.

#Zellergebnisse nachahmen

Kürzliche Experimente zielten darauf ab, nachzuahmen, wie Zellen arbeiten, indem sie APS in synthetischen Zellen fördern. Auf diese Weise können Forscher dynamische Prozesse wie reversible Kondensation, Teilung und biochemische Reaktionen schaffen. In echten Zellen fungieren Kondensate, kleine Tropfen von Proteinen oder anderen Molekülen, an spezifischen Orten wie der Plasmamembran oder dem Zytoplasma. Diese Verhaltensweisen in synthetischen Zellen zu replizieren, ist eine grosse Herausforderung, aber auch ein aufregendes Ziel.

Ein Problem, dem die Wissenschaftler gegenüberstehen, ist sicherzustellen, dass diese Kondensate an ihrem Platz bleiben. Aktuelle Methoden führen oft dazu, dass sich Kondensate frei über die Membran bewegen, was für ihre Funktion möglicherweise nicht vorteilhaft ist. Die Forschung läuft, um zu verstehen, wie diese Kondensate mit dem inneren Teil der Membran interagieren, da dies zu Verhaltensweisen führen könnte, die denen in echten Zellen ähnlich sind.

#Die Rolle von SPS und APS

SPS ist eine weitere nützliche Methode, um nachzubilden, wie Zellprozesse in überfüllten Räumen ablaufen. Diese Methode wurde angewandt, um Kompartimente innerhalb von Zellen zu schaffen, indem Temperatur und andere Faktoren manipuliert werden. Die entstandenen Veränderungen können zu verschiedenen Zellstrukturen führen, wie Knospung und asymmetrischer Teilung. Forscher haben kleine Strukturen, die Liposomen genannt werden, verwendet, um zu untersuchen, wie SPS polare Strukturen in ihnen schaffen kann.

Trotz des Erfolgs von APS und SPS als separate Ansätze müssen die Wissenschaftler weiterhin verstehen, wie sie in Echtzeit in einer zellähnlichen Umgebung zusammenarbeiten können. Diese Kombination könnte neue Einblicke geben, wie man bessere synthetische Zellen bauen kann.

#Unsere Forschung: Kombination von SPS und APS

In dieser Studie haben wir untersucht, wie SPS und APS in kleinen synthetischen Umgebungen zusammenarbeiten, um das Verhalten von Kondensaten zu steuern. Wir verwendeten zwei Arten von Systemen: eines, das auf SPS mit Polyethylenglykol (PEG) und Dextran (DEX) basierte, und ein anderes, das auf APS mit Poly-L-Lysin (PLL) und Adenosintriphosphat (ATP) basierte.

Zuerst führten wir einige grundlegende Experimente durch, um zu zeigen, wie diese Komponenten unter verschiedenen Bedingungen interagieren. Wir schufen eine spezielle Umgebung mit mikrofluidischen Techniken, die es uns ermöglichte, die SPS- und APS-Komponenten in winzige Tropfen, die doppelte Emulsionen oder Liposomen genannt werden, einzuschliessen. Mit diesem Setup konnten wir beobachten, wie diese Systeme die Bewegung und Aktivität von Kondensaten regulieren.

Wir fanden heraus, dass wir unter bestimmten Bedingungen spezifische Komponenten zur Membran der synthetischen Zelle bewegen konnten. Als wir Veränderungen im pH-Wert auslösten, konnten wir Strukturen schaffen, die Coacervate oder Molekülcluster beinhalteten, die an der Membran haften und ihr Verhalten ändern konnten.

Als wir Kondensate in diese Umgebungen einbrachten, blieben sie voneinander isoliert und zeigten begrenzte Bewegung. Diese Fähigkeit, den Standort und das Verhalten von Kondensaten innerhalb einer synthetischen Zelle zu steuern, ist ein wichtiger Schritt zur Replikation echter Zellfunktionen.

#Verwendung von doppelten Emulsionen

Zunächst haben wir versucht, doppelte Emulsionen zu verwenden, das sind winzige Wassertröpfchen, die von Öl umgeben sind. Nachdem wir verschiedene Bedingungen angewandt hatten, konnten wir komplexe Strukturen in ihnen erzeugen. Diese Strukturen replizierten, wie Moleküle in überfüllten Umgebungen agieren, ähnlich wie in echten Zellen. Im Laufe der Zeit beobachteten wir, dass doppelte Emulsionen ihre Grösse und Form ändern konnten, was zur Bildung neuer Kompartimente führte.

Dann wandten wir uns Liposomen zu, die ebenfalls in Zellstudien verwendet werden. Wir schufen Liposomen, die mit APS- und SPS-Komponenten gefüllt waren. Als wir spezifische Aussenlösungen zu diesen Liposomen hinzufügten, bemerkten wir, dass sie zu schrumpfen begannen und neue Strukturen an ihrer Oberfläche bildeten. Das ist bedeutend, weil es zeigte, dass wir das Verhalten von Molekülen an der Grenze der Lipidmembran steuern konnten.

#Membran Targeting

Der Ansatz, der Liposomen verwendete, half uns zu verstehen, wie wir die Bewegung von Molekülen zur Oberfläche der Membran kontrollieren können. Indem wir SPS verwendeten, um APS-Komponenten zur Membran zu leiten, induzierten wir erfolgreich die Bildung von Coacervaten an der Oberfläche.

Diese Interaktionen führten zur Schaffung von 'Blütenblattstrukturen', das sind Muster, die sich an der Oberfläche der Membran bildeten, während Coacervate in den Regionen um diese Blütenblätter gefunden wurden. Das zeigt, dass wir nicht nur die Moleküle innerhalb der Zelle manipulieren können, sondern auch, wie sie mit der Membran selbst interagieren.

#Komplexe Strukturen in synthetischen Zellen

Durch die Kombination der SPS- und APS-Ansätze konnten wir komplexe, blumenartige Strukturen innerhalb der Liposomen schaffen. Diese Strukturen blieben über die Zeit stabil und ermöglichten die lokale Bildung von Kondensaten. Die Kombination unterschiedlicher Bedingungen erlaubte es uns, ein Gleichgewicht zu erreichen, das echte Zellprozesse nachahmte.

Durch sorgfältige Überwachung bestätigten wir, dass diese neu geschaffenen Kompartimente voneinander getrennt blieben. Jedes Kompartiment konnte unabhängig funktionieren, was interessant ist, da es das Verhalten widerspiegelt, das in echten Zellen mit membranlosen Organellen zu sehen ist.

#Fazit: Neue Einblicke in die Zellfunktion

Unsere Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis davon bei, wie molekulare Interaktionen in überfüllten zellulären Umgebungen ablaufen. Durch die Kombination von SPS und APS können wir das Verhalten und die Lokalisierung von biomolekularen Kondensaten steuern, was den Weg für neue Strategien in der synthetischen Biologie ebnet.

Diese Fortschritte können zu effizienteren synthetischen Zellen führen, die komplexe Aufgaben ähnlich wie ihre natürlichen Gegenstücke ausführen können. Die Forschung bietet einen Einblick, wie wir die Interaktionen von Molekülen nutzen können, um ausgefeiltere künstliche Systeme zu erstellen, die Anwendungen in Medizin, Biotechnologie und darüber hinaus haben könnten.

Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, wie diese Prinzipien auf verschiedene Arten von Biomolekülen und Umgebungen angewendet werden können, um synthetische Zellensysteme noch vielseitiger und funktionaler zu machen. Das Potenzial, diese grundlegenden Bausteine des Lebens zu manipulieren, öffnet neue Türen für unser Verständnis von Zellen und wie wir ihre Prozesse replizieren können, was zu innovativen Lösungen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen führt.