Wenige genetische Veränderungen verwandeln einfache RNA-Tröpfchen in zellähnliche Strukturen, die sich bewegen und Fracht aufnehmen können

Eine kleine Anzahl an zufälligen genetischen Mutationen führt dazu, dass sich einfache RNA-Tröpfchen in zellähnliche Strukturen verwandeln. Sie bilden dabei Hohlräume aus, können sich bewegen und sind in der Lage, Fracht aufzunehmen. Das zeigen Forschungsarbeiten mit Nanostrukturen, die auf Ribonukleinsäuren beruhen. Sie wurden unter Leitung von Prof. Dr. Kerstin Göpfrich am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH) in Kooperation mit Experten des Deutschen Krebsforschungszentrums und der Universität Augsburg durchgeführt. Um in den sehr einfachen synthetischen Zellen diese komplexen Vorgänge anzustoßen, reichen nur wenige molekulare Variationen aus – ein Prinzip, dass die Forscherinnen und Forscher auch für medizinische Zwecke nutzbar machen wollen.

Wie Leben aus unbelebter Materie entstanden sein kann, ist eine der ältesten ungelösten Fragen der Wissenschaft. Eine Minimalzelle muss dazu zumindest ihr genetisches Material erhalten und gleichzeitig in der Lage sein, sich zu verändern, wie Prof. Göpfrich erläutert. Eine solche minimale lebende Zelle von Grund auf aus nicht-lebenden Bausteinen zu erschaffen, gehört zu den Hauptanliegen der Synthetischen Biologie – dem Arbeitsfeld von Kerstin Göpfrich und ihrer Forschungsgruppe am ZMBH. Die Wissenschaftlerin arbeitet dazu mit RNA-Tröpfchen. Dabei handelt es sich um flüssigkeitsähnliche, membranlose Nanostrukturen aus künstlich erzeugten Ribonukleinsäuren (RNA), die sich spontan zusammenlagern.

Diese RNA-Tröpfchen können die genetische Vorlage, aus der sie transkribiert werden, in ihrem Inneren einschließen. „Damit ist eine Grundvoraussetzung gegeben für ein System, das sich entwickeln kann“, so William Verstraeten, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Göpfrich. Überraschend war für die Wissenschaftler, dass gezielte Veränderungen an der DNA-Vorlage nicht wie erwartet zur Auflösung der Tröpfchen führten. „Sie bildeten stattdessen große Hohlräume, sogenannte Vakuolen, aus, die über Tage und Wochen stabil blieben“, sagt Kerstin Göpfrich. Um diese komplexen Veränderungen in den primitiven synthetischen Zellen zu erzeugen, genügte nach ihren Angaben eine Mutationsrate von nur etwa drei Prozent.

Welche Mutationen für die strukturellen Änderungen im Inneren der Tröpfchen verantwortlich waren, konnte das Team von Prof. Dr. Michael Platten am Deutschen Krebsforschungszentrum mithilfe einer speziellen Sequenzierungstechnologie bestimmen. Damit war es möglich, einen „Modellmutanten“ zu erschaffen und den Effekt beliebig zu reproduzieren. „Die Vakuolen entstehen, wenn im Zuge der Transkription immer neue RNA in das bereits dickflüssige Innere der Tröpfchen gelangt. Aufgrund der schnellen Anhäufung von Masse kann es zu lokalen Instabilitäten kommen, aus denen sich die Hohlräume bilden“, erklärt Prof. Dr. Christoph Weber vom Institut für Physik der Universität Augsburg. Die RNA-Tröpfchen müssen einen Radius von mehr als 20 Mikrometern haben und mehr als etwa zwei Prozent an genetisch verändertem Material enthalten, damit Vakuolen entstehen, wie die Wissenschaftler in Experimenten bestätigen konnten.

Die weiteren Untersuchungen haben gezeigt, dass die Hohlräume zu einer Umverteilung der Masse im Inneren der Tröpfchen führen und damit kleinste Bewegungen im Mikrometerbereich erzeugen. Mutierte RNA-Tröpfchen bewegten sich nach Angaben der Wissenschaftler wesentlich weiter als unmutierte und kollidierten öfter miteinander; in der Folge verschmolzen und wuchsen sie. Dabei fungieren die Vakuolen als interne Staufächer: „Sie nehmen kleine Moleküle auf und können diese Fracht in ihrem Inneren einlagern“, sagt Prof. Göpfrich.

„Damit stellt uns die Mutagenese eine neue Architektur und neue Funktionen zur Verfügung, die wir, wenn wir sie von Grund auf nachbauen wollten, nur unter großen Schwierigkeiten entwerfen könnten“, betont die Molekularbiologin. In Rahmen des Exzellenzclusters SynthImmune der Universität Heidelberg wollen sich die Forscherinnen und Forscher diese Mutation und Selektion zunutze machen, um molekulare Funktionen aus minimalen synthetischen Komponenten zu erzeugen. „Dieses Werkzeug wollen wir künftig nutzen, um synthetische Immuneffektoren zu erschließen, die bestimmte Immunfunktionen selbst ausbilden können.“

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs / Transregio 392 „Molekulare Evolution in präbiotischen Umgebungen“ durchgeführt. Daran beteiligt sind die Forschungsgruppen von Kerstin Göpfrich in Heidelberg und von Christoph Weber in Augsburg. Der Europäische Forschungsrat, die International Human Frontier Science Program Organization, die Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung sowie die Carl-Zeiss-Stiftung haben die Forschungsarbeiten gefördert. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Chemical Engineering“ erschienen.