Eine von Grund auf zusammengesetzte synthetische Zelle wächst und teilt sich erstmals
(quantamagazine.org)- Die synthetische Biologie, die den Ursprung des Lebens im Labor nachbilden will, hat den Punkt erreicht, an dem Wachstum, DNA-Replikation und Teilung in einem System zusammengeführt werden
- Diese Zelle ist kaum als lebende Zelle zu betrachten; sie muss Ribosomen und Nährstoffe von außen erhalten und verfügt auch kaum über Abwehr- oder Abfallentsorgungssysteme
- Das Team um Kate Adamala kombinierte ein DNA-Replikationssystem, ein Enzymbündel für die Proteinproduktion, Versorgungs-Liposomen und membranständige Proteine zur Auslösung der Teilung zu einer spudcell; die Studie ist noch nicht peer-reviewed
- Künstlich veränderte Gene konnten Zellen größer wachsen lassen oder mehr Tochterzellen erzeugen, doch natürliche Selektion auf Basis zufälliger Mutationen wurde noch nicht umgesetzt
- Das Team veröffentlicht Daten und Methoden und will Werkzeuge über die Non-Profit-Organisation Biotic bereitstellen; langfristig könnte die Arbeit für neue Materialien, Medikamente und die Erforschung des Ursprungs des Lebens genutzt werden
Ein Zellzyklus aus nichtlebenden Materialien
- Biologen bringen nichtlebende Bestandteile einzeln in zellähnliche Membranen ein, um zu prüfen, ob molekulare Beutel lebensähnliches Verhalten zeigen
- Im Labor hergestellte synthetische Zellen führen zentrale Schritte des grundlegenden Zellzyklus gemeinsam aus
- Wachstum
- DNA-Replikation
- Teilung
- Jack Szostak beurteilt dies als einen Fortschritt, der ihm bei Versuchen, künstliche Zellen aus biologischen Komponenten zusammenzusetzen, bislang nicht bekannt war
- Allerdings ist diese Zelle nach keiner Definition eine lebende Zelle
- Sie braucht eine kontinuierliche Nahrungszufuhr
- Sie muss Ribosomen, die Maschinerie zur Proteinproduktion, von außen erhalten
- Sie hat kein Abwehrsystem und kein gutes System zur Abfallbeseitigung
- Sijbren Otto sieht das Ziel, aus toten Komponenten etwas Lebendes zu schaffen, deutlich näher gerückt, aber noch nicht vollständig erreicht
Design und Aufbauweise der spudcell
- Das von Kate Adamala geleitete Team der University of Minnesota baute in einer neuen Studie eine synthetische Zelle aus einem System auf, bei dem alle molekularen Bauteile im Labor hergestellt wurden
- Die Studie ist noch nicht peer-reviewed
- Als Adamala 2016 ihr Labor gründete, stellte sie sich eine synthetische Zelle vor, die mit ihrem eigenen Genom einen vollständigen Zyklus der Zellteilung durchläuft
- Grundlage des Designs waren grundlegende Funktionen, die alle bekannten Zellen teilen
- Sie wachsen
- Sie replizieren DNA
- Sie teilen sich
- Sie evolvieren
- Sie transkribieren DNA zu RNA und stellen Proteine her, um die für den Zellbetrieb nötigen Aufgaben auszuführen
- Sie sammeln die benötigten Materialien innerhalb einer Lipidmembran
- Das Team musste für die synthetische Zelle ein Genom erstellen und zugleich die Materialien bereitstellen, die diese Funktionen ausführen
DNA-Replikation und Versorgungs-Liposomen
- Als Zellkörper dienten Liposomen: leere Beutel, die von einer einfachen Lipidmembran umgeben sind
- Das Team baute zunächst das grundlegendste System auf, das DNA repliziert und an Tochterzellen weitergibt
- Es übernahm ein von Hannes Mutschler und Christophe Danelon entwickeltes DNA-Replikationssystem
- Dieses wurde so angepasst, dass es mit einem kommerziellen Bündel aus 36 Enzymen funktioniert, das DNA lesen und Proteine herstellen kann
- Durch wiederholten Austausch von Genen und Anpassung molekularer Konzentrationen optimierten sie das Zusammenspiel von Informationsübertragung und Proteinproduktion
- Das synthetische Genom ist sehr klein und enthält kaum Stoffwechselgene für die Verarbeitung von Nahrung und Energie oder die vielen komplexen Moleküle, die eine Zelle benötigt
- Fehlende Materialien wurden in separate Versorgungs-Liposomen gegeben
- Zucker
- Lipide
- Enzyme
- tRNA
- Ribosomen
- Damit Versorgungs-Liposomen bei Kontakt mit der synthetischen Zelle mit deren Membran verschmelzen und ihren Inhalt freisetzen, veränderte das Team Zellmembranproteine so, dass sie die Lipidblasen anziehen
- Nach mehreren Anpassungen begannen die Zellen zu wachsen und DNA zu replizieren
Ein Umweg zur Teilung statt eines Zytoskeletts
- Frühere Arbeiten hatten teilweise gezeigt, wie man synthetische Zellen ernährt, wachsen lässt und DNA replizieren lässt, doch die Zellteilung blieb ein schwierigeres Problem
- Gewöhnliche Zellen reorganisieren das Zytoskelett, ein Netzwerk aus Proteinfasern, das strukturelle Unterstützung bietet, um DNA in zwei Hälften aufzuteilen und die Zelle zu teilen
- Adamala wählte einen anderen Ansatz, ohne ein Zytoskelett zu verwenden
- Sie bezog sich auf einen Artikel von Reinhard Lipowsky über einen Mechanismus, bei dem Protein-Tags an die Membran angeheftet werden, um andere Proteine zu sammeln und die Membran physisch zu krümmen, wodurch Zellteilung ausgelöst wird
- Sie passte Zellmembranproteine an und testete sie in Protozellen
- Nach mehreren Versuchen funktionierte die Teilung
- Job Boekhoven sieht die Arbeit als großen Erfolg, der diesen Teilungsmechanismus gut demonstriert
- John Glass bewertet die Kombination von DNA-Replikation, Versorgungs-Liposomen und teilungsauslösenden Proteinen sowie deren gemeinsame Optimierung als möglichen Wendepunkt für das Feld der synthetischen Zellen und die Biologie insgesamt
- Michael Lynch bezeichnet dies als tour de force der synthetischen Biologie, warnt aber zugleich vor Übertreibung, da die Zelle noch nicht selbstständig ist
Selektionsexperimente mit spudcells und offene Evolutionsfragen
- Innerhalb des Teams wurden diese synthetischen Zellen zunächst Adamala cells genannt, doch Adamala wollte einen anderen Namen, schlug scherzhaft Kartoffeln vor, und die Studierenden begannen, sie spudcells zu nennen
- Jede Zelle ist sehr klein, und auch ihr Genom ist viel kleiner als das eines Bakteriums
- Unter dem Mikroskop wirken sie nicht wie eine besondere Form, sondern wie einfache Klumpen
- Das Team manipulierte die DNA der synthetischen Zellen, um nach Wachstum und Teilung zu prüfen, ob ein Schritt näher an Evolution möglich ist
- Sie erzeugten genetische Varianten, bei denen einige Zellen größer wuchsen oder sich schneller teilten
- Größer gewachsene Zellen erzeugten mehr Tochterzellen und begannen innerhalb der Population zuzunehmen
- Ein erster Schritt, bei dem diese Eigenschaft in der Population selektiert wurde, trat auf
- Das ist jedoch keine eindeutige Umsetzung von natürlicher Selektion
- Die genetische Variation entstand nicht durch zufällige DNA-Mutationen, sondern durch künstliche Eingriffe des Teams
- Das Enzym, das DNA-Stränge herstellt, ist zu genau und erzeugt nicht genug sinnvolle Mutationen
- Das Team muss ein Enzym finden, das gerade so fehlerhaft ist, dass Genomintegrität und Zellfunktion nicht verloren gehen
- Boekhoven meint, der klare Nachweis eines Evolutionsprozesses fehle noch; das werde der nächste große Schritt sein
- Bei anderen Typen synthetischer Zellen wurde adaptive Evolution beobachtet, doch diese Zellen waren nicht von Grund auf gebaut, sondern Bakterien, bei denen nur die minimalen Gene übrig geblieben waren
Abstand zu lebenden Zellen
- Synthetische Zellen haben die Einschränkung, dass sie viele Ausgangsmaterialien von außen beziehen müssen
- Szostak sieht die Tatsache, dass die Zelle ihre eigenen Ribosomen nicht wie natürliche Zellen herstellen kann, als Begrenzung für Wachstum und die Möglichkeit dauerhafter Vermehrung
- Wenn sie eigene Ribosomen, Proteine und RNA herstellen könnte, käme sie lebenden Zellen wie heutigen Bakterien deutlich näher
- Adamala meint, dass zur Verbesserung des Replikationssystems auch ein Weg gefunden werden müsse, ein Zytoskelett hinzuzufügen
- Derzeit verschwenden die Zellen viel Energie und Zeit damit, Moleküle zu sammeln, die bei der Teilung helfen
- Im Vergleich zu modernen lebenden Zellen ist diese synthetische Zelle sehr primitiv
- Adamala vergleicht moderne Zellen mit einer Boeing 787 Dreamliner
- Diese Zelle vergleicht sie mit einem Wright flyer, der 100 Fuß weit fliegt
Veröffentlichung über Biotic und langfristige Nutzung
- Adamala und weitere synthetische Biologen kündigten zusammen mit den neuen Ergebnissen die Gründung der Non-Profit-Organisation Biotic an
- Biotic soll dazu dienen, Forschern weltweit Werkzeuge der synthetischen Biologie bereitzustellen
- Das Team veröffentlicht Daten und Methoden, damit andere synthetische Biologen die Zellen bauen und verbessern können
- Langfristig könnte diese Arbeit in einigen Jahrzehnten für folgende Anwendungen genutzt werden
- Kunststoffherstellung ohne fossile Brennstoffe
- Herstellung von Dünger
- Herstellung von Medikamenten
- spudcell unterscheidet sich zwar von den viel einfacheren Molekülen, die das Leben auf der Erde zu Beginn genutzt haben dürfte, doch die Schaffung eines synthetischen Zellsystems aus nichtlebenden Materialien bringt die experimentelle Erforschung des Ursprungs des Lebens und der Bedingungen für seine Aufrechterhaltung im Labor einen Schritt näher
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Der Beitrag von Science News bietet mit zusätzlichen Zitaten anderer Forschender eine ausgewogenere Perspektive
Einige sollen auch unzufrieden mit der Art gewesen sein, wie Adamala versucht habe, Aufmerksamkeit für die Forschung zu erzeugen. Sie sagte, ein Gutachter habe erklärt, SpudCells seien keine echte Biologie, weshalb die Arbeit von Cell abgelehnt worden sei, und sie schickte Journalist:innen unter Embargo ein 190-seitiges Manuskript, noch bevor sie es auf bioRxiv stellte, wo Kolleg:innen es lesen und bewerten könnten. Angeblich soll es bald bei einem neuen Journal eingereicht werden. Die Synthetikbiologin Kerstin Göpfrich von der Heidelberg University nannte das „eine ziemlich ungewöhnliche Vorgehensweise“
https://www.science.org/content/article/lab-created-spudcell...
https://www.nytimes.com/interactive/2026/07/01/science/spudc...
Während sich die Veröffentlichung verzögert und man weitere sechs Monate bis zur nächsten Begutachtung warten muss, lädt irgendein „Kollege“ aus einem anderen Labor fast dasselbe Experiment mit etwas besseren Ergebnissen auf einen Preprint-Server hoch und bekommt es sofort in ein Spitzenjournal. Das gilt dann als der neueste Stand, und der ursprüngliche Forscher sieht plötzlich wie jemand aus, der die Originalarbeit nur reproduziert hat. Kurz gesagt: Politik ruiniert alles
Genau hier hatte dieses Feld lange festgehangen. Forschende vor Adamala hatten zwar herausgefunden, wie man synthetische Zellen mit Nährstoffen versorgt und wachsen lässt und wie man DNA repliziert, aber die Zellteilung war ein anderes Problem
Normale Zellen organisieren ihr Zytoskelett neu, ein Netzwerk aus Proteinfasern, das strukturellen Halt gibt, um die DNA in zwei Hälften zu teilen und sich abzuschnüren. Synthetische Biolog:innen hatten keinen Weg gefunden, ihre Zellen diesen komplexen Prozess durchlaufen zu lassen. Also entschied Adamala, das Zytoskelett aufzugeben, und stieß beim Durchforsten der Literatur auf einen Mechanismus von Reinhard Lipowsky, bei dem Proteinmarker an der Zellmembran andere Proteine anziehen, die die Membran physisch krümmen und so die Zelle teilen. Adamala passte nach diesem Ansatz die Membranproteine der Protozelle an und hatte nach vielen Versuchen Erfolg. Das ist der neue Teil
Bitte Nachsicht, ich bin kein Fachmann. Ich frage mich, woher die Aminosäuren und Proteine stammen. Meines Wissens müssen sie für die Zellfunktion dieselbe Chiralität haben, und künstlich „von Grund auf“ hergestellte Aminosäuren liegen meines Verständnisses nach zu 50:50 in beiden Händigkeiten vor
In der vereinfachten Erklärung der NY Times hieß es, die Gene seien „von Viren und dem häufigen Mikroorganismus Escherichia coli geliehen“ worden. Ich frage mich, wie nah man damit dem Ziel „von Grund auf“ tatsächlich gekommen ist. Oder ob es in der Praxis eher dem Zusammenbau vieler Einzelteile entspricht
Es sieht so aus, als hätten die Wissenschaftler oder jemand aus ihrem Umfeld einen Wiki-Artikel erstellt: https://en.wikipedia.org/wiki/SpudCell
Ich glaube nicht, dass ich Forschende je so direkt Werbung machen sah. Ein interessanter Ansatz; ich frage mich, ob das künftig Standard wird
Die Organisation hinter dieser Forschung ist hier zu finden: https://biotic.org/
Biotic bezeichnet sich als gemeinnützige Non-Profit-Forschungsorganisation, die chemisch und funktional definierte synthetische Zellen entwickelt. Ihre Mission sei es, grundlegende Fortschritte in der Biotechnologie verantwortungsvoll zu ermöglichen und zu steuern, mit dem Ziel, dass erstklassige Biotechnologie an einem entscheidenden Zeitpunkt allen Menschen und dem Planeten zugutekommt. Diese konkrete Forschung scheint an der University of Minnesota durchgeführt worden zu sein
Adamala sagte: „Was könnte Biologie noch alles tun?“ Nun ja, vielleicht könnte man damit synthetisches Leben erschaffen, das alles Leben schnell auslöscht
Wer das eigentliche Manuskript sehen will, findet es hier: https://www.biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript...
Interessant ist, dass diese Forschung von Dr. Kate Adamala geleitet wurde, die vor einigen Jahren das rechtshändige-Protein-Experiment stoppte. Wenn man bedenkt, wie nah sie damals schon dran war, ist der jetzige Erfolg nicht überraschend
Man weiß es vielleicht nicht, aber das Immunsystem würde linkshändige Krankheitserreger erkennen und möglicherweise sogar aggressiver reagieren. Fieber und Ozonabbau, die zwei Mechanismen des Körpers zur Bekämpfung von Infektionen, sind klar nicht chiral. Für industrielle Anwendungen könnte man eher argumentieren, dass Spiegel-Leben schneller vorangetrieben werden sollte. Die biologische Kontrolle wäre einfacher, und weil es nichts zu fressen hätte, wäre auch die Wahrscheinlichkeit eines Entweichens aus dem Labor viel geringer
Stell dir vor, man stolpert zufällig über einen Nachrichtenartikel aus dem Jahr 2226. Man beginnt zu lesen, um herauszufinden, wer den KI-Wettlauf zwischen Google, OpenAI und Anthropic gewonnen hat
Und dann erfährt man: Biotic. Inzwischen ist es die mächtigste politische Entität im Sonnensystem und darüber hinaus und hat 2084 Alphabet, OpenAI und Anthropic an einem einzigen Tag übernommen. Menschen sind nicht mehr die bevorzugte Spezies, und ihre Fortpflanzung wurde auf das optimale Minimum begrenzt, das das reliktartige Überleben der Art sicherstellt. Für produktive Tätigkeiten bevorzugt Biotic biomechanische Maschinen. Man stelle sich einfach vor, Drohnen bekämen bei Spitzenverkehr Nachwuchs. Das kostet mehr Energie, aber man braucht weder Fabriken noch Arbeiter. Lässt man sie gewähren, würden sich Maschinen nicht wie früher als Abfall zersetzen, sondern unkontrollierbar vermehren
Einige schließen sich zu Kollektiven zusammen und bauen riesige mobile Strukturen, die von einer unbegreiflichen kollektiven Intelligenz gesteuert werden. Der Artikel behauptet, dieses Ereignis habe in Wirklichkeit schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren stattgefunden, und empfiehlt dem heutigen Kollektivintellekt ein Abonnement