Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

Das Leben in all seinen Formen, vom kleinsten Bakterium bis zum größten Wal, teilt ein grundlegendes Geheimnis: die Fähigkeit, gleich zu bleiben, während sich alles um es herum verändert. Diese interne Stabilität wird als Homöostase bezeichnet. Sie ist der Grund, warum Ihr Körper eine konstante Temperatur hält, selbst wenn sich das Wetter ändert, oder warum Ihr Blutzuckerspiegel nach einer Mahlzeit im Gleichgewicht bleibt. Lebewesen erreichen dies nicht dadurch, dass sie statisch sind, sondern indem sie ständig ihren internen Zustand wahrnehmen und winzige, automatische Anpassungen vornehmen. Sie registrieren, wenn ein chemischer Stoff zu hoch konzentriert ist, und verlangsamen dessen Produktion, oder sie registrieren, wenn er zu niedrig ist, und beschleunigen sie. Dieses feine Balancieren ist es, was das Leben fortbestehen lässt. Für Wissenschaftler, die versuchen, künstliches Leben von Grund auf neu zu erschaffen, war die Erschaffung eines Systems, das dies eigenständig leisten kann, eine der schwierigsten Herausforderungen. Die meisten künstlichen Zellen sind wie geschlossene Räume; sobald die Zutaten im Inneren aufgebraucht sind, stoppen die Reaktionen und das System stirbt ab. Ihnen fehlt die Fähung, frischen Brennstoff aus der Außenwelt aufzunehmen und diese Aufnahme basierend auf dem Geschehen im Inneren zu regulieren.

Ein Team von Forschern der University of Surrey und des University College London hat nun eine winzige, künstliche Zelle gebaut, die genau dies tun kann. Sie erschufen eine mikroskopische Blase, die in der Lage ist, ihre eigene interne Chemie wahrzunehmen und automatisch zu regulen, wie viel Brennstoff sie hereinlässt, um ihre Aktivität stabil zu halten. Dieses System, das in einer kürzlich veröffentlichten Studie beschrieben wurde, nutzt eine kluge Kombination aus DNA-Strukturen und Enzymen, um eine selbstregulierende Schleife zu erzeugen. Die Forscher haben dies nicht nur beobachtet; sie bauten die Komponenten, setzten sie in einer Lipidblase zusammen und beobachteten, wie das System einen stabilen Zustand über sechzehn Stunden lang aufrechterhielt – eine bemerkenswert lange Zeit für ein so einfaches synthetisches Konstrukt.

Die künstliche Zelle, die sie gebaut haben, ist ein großes unilamellares Vesikel, was im Wesentlichen ein großer, hohler Ball aus einer einzigen Schicht Fettmoleküle ist, ähnlich der Membran einer echten Zelle. In dieser Blase platzierten die Forscher die Maschinerie, die zur Herstellung von RNA benötigt wird, einem Molekül, das in biologischen Systemen als Botenstoff und Arbeiter fungiert. Sie fügten auch ein System hinzu, um RNA abzubauen. Die entscheidende Innovation liegt jedoch in der Haut der Blase. Die Forscher betetteten winzige, röhrenförmige Strukturen aus DNA in die Membran ein. Diese DNA-Tuben fungieren als Tore oder Poren, die es kleinen Molekülen ermöglichen, hindurchzufließen. Speziell erlauben sie Ribonukleosidtriphosphate, oder rNTPs, aus der Außenwelt in die Blase zu fließen. Diese rNTPs sind die Bausteine, die die Zelle zur Herstellung von RNA benötigt.

Die Brillanz des Designs liegt darin, wie die Zelle diesen Fluss kontrolliert. Die DNA-Poren sind nicht dauerhaft offen; sie können blockiert werden. Die Forscher programmierten das System so, dass die Zelle bei der Herstellung von RNA auch eine spezifische Art von RNA-Strang produziert, der als Blockierer fungiert. Wenn die Zelle mehr RNA produziert, sammeln sich diese Blockierer-Stränge an und verstopfen physisch die DNA-Poren, wodurch der Fluss neuer rNTPs gestoppt wird. Dies erzeugt eine negative Rückkopplungsschleife: Je mehr die Zelle arbeitet, desto mehr schaltet sie ihre eigene Brennstoffzufuhr ab. Das System ist jedoch nicht darauf ausgelegt, geschlossen zu bleiben. Im Inneren der Blase frisst ein Enzym namens RNase langsam die RNA-Blocker auf. Während die Blocker abgebaut werden, öffnen sich die Poren wieder und erlauben es frischen rNTPs einzutreten, wodurch der Zyklus erneut beginnt. Dieser kontinuierliche Zyklus aus Öffnen, Schließen und Wiederöffnen ermöglicht es der Zelle, ein stetiges, konstantes Niveau der RNA-Produktion aufrechtzuerhalten, unabhängig davon, wie viel Brennstoff in der Umgebung verfügbar ist.

Um zu beweisen, dass dieses System funktionierte, testeten die Forscher zuerst die DNA-Poren für sich allein. Sie luden die Blasen mit einem roten Farbstoff und platzierten sie in einer Lösung mit einem grünen Farbstoff. Als die Poren offen waren, trat der rote Farbstoff aus und der grüne Farbstoff floss hinein, was bestätigte, dass die Poren funktionsfähig waren. Sie zeigten dann, dass sie diesen Fluss durch Zugabe von Blockier-Strängen stoppen konnten, was die Tore effektiv schloss. Als Nächstes demonstrierten sie, dass die Poren genug rNTPs hereinlassen konnten, um die interne Maschinerie zur Herstellung von RNA anzutreiben. Wenn sie einen fluoreszierenden Marker hinzufügten, der nur leuchtet, wenn er an die neu hergestellte RNA gebunden ist, leuchteten die Blasen mit offenen Poren hell auf, während jene mit blockierten Poren dunkel blieben.

Der letzte und bedeutendste Test war die Frage, ob das gesamte System die Homöostase aufrechterhalten konnte. Die Forscher platzierten die vollständig montierten Zellen in einer Lösung enthaltend rNTPs und beobachteten sie im Laufe der Zeit. In Zellen, in denen die Poren dauerhaft offen waren, stieg die RNA-Produktion an, bis die Ressourcen erschöpft waren oder chaotisch wurde. In Zellen, in denen die Poren dauerhaft geschlossen waren, stoppte die RNA-Produktion fast sofort. Aber in den Zellen mit den selbstregulierenden DNA-Poren stiegen die RNA-Werte bis zu einem bestimmten Punkt an und blieben dann dort, stabil und beständig, für sechzehn Stunden. Das System passte den Fluss des Brennstoffs automatisch an die Rate an, mit der die RNA abgebaut wurde, wodurch ein perfektes Gleichgewicht entstand.

Die Forscher zeigten auch, dass sie dieses Gleichgewicht abstimmen konnten. Durch Zugabe eines spezifischen DNA-Strangs, der als „Schwellenwert“ fungiert, konnten sie einige der RNA-Blocker abfangen, bevor sie die Poren erreichten. Dies bedeutete, dass die Poren länger offen blieben, was mehr Brennstoff hineinließ und zu einem höheren stabilen Niveau der RNA-Produktion führte. Diese Fähigkeit, das Zielniveau der Aktivität festzulegen, ohne das gesamte System neu aufbauen zu müssen, deutet auf eine hohe Kontrolle hin. Die Studie zeigt, dass durch die Kombination von Transport, Genexpression und Degradation in eine einzige Rückkopplungsschleife möglich ist, eine künstliche Zelle zu erschaffen, die sich wie ein lebender Organismus verhält und ihre interne Stabilität in einer sich verändernden Welt aufrechterhält. Diese Arbeit liefert eine Blaupause für den Bau komplexerer, adaptiver Materialien und künstlicher Zellen, die über längere Zeiträume ohne menschliches Eingreifen operieren können.