Aan welke criteria moet een synthetisch gemaakte cel voldoen om als levend te worden beschouwd? Wat zijn de minimale vereisten voor individuele functies van zo'n cel?

Dit soort vragen drijven Petra Schwille en haar team van het Max Planck Instituut voor Biochemie. Nu hebben de wetenschappers aangetoond dat er slechts vijf biologische bouwstenen nodig zijn om celachtige structuren te genereren die autonome beweging vertonen en tegelijkertijd energie verbruiken. De ontdekking van deze pulserende, het slaan van blaasjes kwam als een verrassing, aangezien de wetenschappers aanvankelijk processen wilden onderzoeken die verband houden met celdeling. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

Synthetische biologie heeft zichzelf tot taak gesteld biologische systemen te imiteren, of zelfs aanpassen op een manier die nieuwe toepassingen mogelijk maakt. Als zodanig, celfunctie kan in de reageerbuis worden gereproduceerd en dus beter worden begrepen, die tot technologische vooruitgang kunnen leiden. De gebruikte moleculaire bouwstenen zijn veelal van biologische oorsprong, maar onderzoekers kunnen natuurlijke mechanismen imiteren of nieuwe benaderingen nastreven.

Vaak maakt het deel uit van de synthetische biologie om de biologische bouwstenen in microscopisch kleine containers op te sluiten om de omstandigheden in levende cellen te reproduceren. Populaire containers zijn zogenaamde gigantische blaasjes.

Deze belachtige structuren bestaan ​​uit een dunne lipidelaag die lijkt op het celmembraan. Aanvullend, ze delen andere eigenschappen, bijv. hun grootte (1-100 µm), met levende cellen. Dit maakt ze tot een ideaal modelsysteem in de synthetische celbiologie.

De wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Biochemie hebben nu twee verschillende eiwitten en chemische energie in de vorm van ATP ingesloten in de celachtige gigantische blaasjes. Onder de microscoop, ze merkten op dat de structuren onafhankelijk en periodiek begonnen te bewegen. In hun publicatie in, ze beschrijven deze structuren als 'kloppende blaasjes'.

Hoe bepaalt een cel zijn middelpunt?

De eiwitten die voor deze experimenten worden gebruikt, zijn afkomstig van de darmbacterie Escherichia coli, dat dient als een belangrijk modelsysteem in biologisch onderzoek. Deze bacteriën hebben een langwerpige vorm en delen zich precies in het midden. Om erachter te komen waar dit centrum is, de staafvormige bacteriën gebruiken een uitgekiend mechanisme:de eiwitten MinD en MinE oscilleren heen en weer tussen de twee uiteinden van de bacterie. De celdelingsmachinerie wordt afgestoten door deze eiwitten en nestelt zich zo ver mogelijk van de uiteinden:midden in de cel.

Reizende patronen

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de afdeling Cellulaire en Moleculaire Biofysica van het Max Planck Institute of Biochemistry zijn er voor het eerst in geslaagd deze oscillerende eiwitten in gigantische blaasjes in te kapselen. Het team van Petra Schwille merkte op dat de eiwitten in de gigantische blaasjes periodiek bewegen en heen en weer oscilleren - vergelijkbaar met het gedrag van levende bacteriën.

In toekomstige experimenten, de onderzoekers zijn van plan om verdere componenten in de blaasjes in te sluiten. Hierdoor kunnen de blaasjes zich delen en dus vermenigvuldigen. Echter, de knipperende eiwitpatronen waren niet het enige effect dat de wetenschappers onder de microscoop observeerden:bovendien, de blaasjes bewogen autonoom en ritmisch veranderden ze van vorm als stuiterende rubberen ballen.

Thomas Litschel, eerste auteur van de studie, legt uit dat de waarnemingen als een verrassing kwamen, omdat het voorheen niet bekend was dat een systeem dat zo eenvoudig, opgebouwd uit slechts een paar bouwstenen, zou kunnen leiden tot dynamische membraanvervormingen van deze omvang. "De meeste verschijnselen in biologische systemen zijn veel complexer dan ze lijken. Hier, Tenslotte, het tegenovergestelde is waar:een schijnbaar complex gedrag dat bestaat uit zeer weinig verschillende biologische functionele modules", vat Petra Schwille de resultaten samen.

Hoewel de weg naar synthetisch geproduceerde cellen lang is, de reconstitutie van individuele biologische functies voegt een nieuw item toe aan de biotechnologische toolkit die nodig is om dit doel te bereiken. Elke stap op weg naar de synthetische cel verbetert ook het begrip van processen in bestaande organismen. Op deze manier, de "beating vesicles" helpen de onderzoekers om de fundamentele principes van het leven te bestuderen.