Kann man Leben im Labor erschaffen? Und vielleicht sogar Zellen, die mehr können als die Natur? Darum geht’s heute bei uns hier im Spektrum Podcast. Mein Name ist Max Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid! Spektrum der Wissenschaft – der Podcast von detektor.fm.
Es ist ja eine der ganz großen Fragen: Wo beginnt Leben? Und was unterscheidet Lebende von unbelebter Materie? Und dann auch noch: Können wir denn Leben vielleicht herstellen im Labor? Und was bedeutet das dann eigentlich, künstliches Leben, wie es ja so oft heißt? Jedenfalls gibt es einen ganz radikalen Ansatz in der Forschung: Statt lebende Zellen zu verändern, geht man den umgekehrten Weg und baut biologische Systeme von Grund auf neu. So entstehen Strukturen, die sich selbst organisieren und möglicherweise eines Tages sogar vermehren und entwickeln können. Und ihr merkt schon, da sind wir dann am Begriff Leben schon ziemlich nah dran.
Und besonders spannend dabei ist, dass diese künstlichen Systeme auch Eigenschaften entwickeln könnten, die in der Natur nie entstanden sind. Also vielleicht sogar besser sein, in Anführungszeichen, als die Natur. Aber wozu das alles? Fragt ihr euch vielleicht auch darüber, und über die Fragen, die ich gerade so gestellt habe, wollen wir sprechen. Und zwar mit Frank Schubert. Der ist Biologe und Redakteur bei Spektrum der Wissenschaft und heute mein Gast hier im Podcast. Hallo Frank!
Hallo Max, schön, dich zu hören! Frank, du hast dich über dieses sehr, sehr spannende Thema kürzlich mit einer Biophysikerin unterhalten, nämlich mit Kerstin Göpfrig. Vielleicht kannst du mal kurz zur Einleitung sagen, woran die eigentlich so forscht?
Ja, Kerstin Göpfrig ist Biophysikerin am Zentrum für molekulare Biologie der Uni Heidelberg und sie betreibt dort synthetische Biologie. Vor allem beschäftigt sie sich mit dem Bau von synthetischen, also von künstlichen Zellbestandteilen, beispielsweise künstlichen Membrankanälen. Und sie konstruiert mithilfe von Computerdesign künstliche Biomoleküle, die sich zu bestimmten Formen falten. Und aus solchen Molekülen möchte sie eine Minimalzelle bauen, so nennt sie das. Also das ist so ein kleines, einfachstmögliches System, was sozusagen Eigenschaften des Lebens zeigt.
Und solche Minimalzellen möchte sie von Grund auf neu bauen, also aus einzelnen Molekülen zusammenbauen, den sogenannten Bottom-up-Ansatz. Und so möchte sie einen Übergang schaffen von toter zu lebender Materie.
Künstliches Leben
Jetzt sind wir bei diesem Begriff künstliches Leben. Der taucht ja immer wieder mal auf. Was genau verstehen wir denn eigentlich darunter?
Ja, künstliches Leben meint in diesem Fall ein Minimalsystem, also eine kleinste, sich selbst kopierende und verbessernde Einheit, die zur Evolution befähigt ist, also die sozusagen der Evolution durchläuft, wenn man sie dann lässt. Und das ist ein zellähnliches System. In dem Fall ist damit gemeint, also ein System, das eine Membran hat, so ähnlich wie ja auch natürliche Zellen eine Membran haben. Und die in ihrem Innern und in der Membran synthetische Moleküle hat, also künstliche Moleküle. Das ähnelt wie gesagt natürlichen Zellen, wie wir sie kennen, unterscheidet sich aber auch von ihnen.
Natürliche Zellen, wie wir sie kennen, haben Proteine als sogenannte Arbeitsmaschinen. Also Proteine erledigen alles Mögliche in der Zelle, sie beschleunigen Stoffwechselreaktionen, sie sorgen dafür, dass die Zelle reagieren kann auf Dinge, die in der Außenwelt passieren und so weiter. Künstliche Minimalzellen, die man baut, müssen wahrscheinlich nicht unbedingt Proteine haben. Wenn man die so baut, dass sie eben Moleküle haben, die aus gefalteten Nukleinsäuren bestehen, dann brauchen die möglicherweise nicht unbedingt Proteine. Das ist noch so die große Frage, die im Moment noch offen ist.
Also wichtig ist nur, dass sozusagen diese künstlichen Zellen, diese Minimalsysteme, sowohl Ähnlichkeiten als auch Unterschiede zu natürlichen Zellen haben. Und die Kerstin Göpfrich, mit der ich gesprochen habe, die forscht im Speziellen über sogenanntes DNA- und RNA-Origami. Das sind Techniken, um Molekülstrukturen aus DNA- oder RNA-Strängen zu falten. Und auf diese Weise künstliche Gebilde hervorzubringen, die vielleicht so etwas Ähnliches können wie Proteine in natürlichen Zellen.
Aktueller Stand der Forschung
Und wo stehen wir denn bei der ganzen Sache jetzt eigentlich gerade? Also kannst du uns mal so ein bisschen ins Boot holen? Ist es wirklich möglich, Leben im Labor herzustellen, oder ist das auch noch komplett Zukunftsmusik?
Momentan noch nicht. Also es gibt momentan zwei Ansätze in der synthetischen Biologie bei dem Versuch, künstliches Leben zu erzeugen. Das eine ist der sogenannte Top-Down-Ansatz, also von oben nach unten. Da versucht man, sich Zellen zu nehmen, die es schon gibt, also natürliche Zellen, und die genetisch zu manipulieren und dabei immer weiter zu reduzieren, bis man zu so einem Minimalsystem kommt. Und Forscherinnen und Forscher haben auf diese Weise schon eine Minimalzelle erzeugt, die nur noch 473 Gene hat, damit die Zelle eben noch existenz- und vermehrungsfähig ist.
Aber dieser Top-Down-Ansatz ist ja nicht so wirklich die Erzeugung von Leben, weil man eben sich Leben nimmt, was es schon gibt und eben reduziert. Und der andere große Ansatz, den es gibt in der synthetischen Biologie, das ist der Bottom-Up-Ansatz, also von unten nach oben. Da versucht man, lebende Strukturen von Grund auf neu zusammenzusetzen aus einzelnen Molekülen. Das gelingt heute noch nicht, auf diesem Weg Strukturen zu erschaffen, die wirklich als Leben durchgehen, sozusagen. Man kann zwar schon Minimalsysteme bauen, die bestimmte Dinge können, die beispielsweise bestimmte Stoffwechselreaktionen nachvollziehen können, aber man kann eben noch keine Systeme bauen, die man schon als Lebewesen ansehen könnte. Das ist tatsächlich noch Zukunftsmusik.
Und dieser Bottom-Up-Ansatz, also quasi von Null anfangen, das ist das, was Kerstin Göpfrich auch verfolgt, hast du ja gesagt. Wie fängt man denn überhaupt an, so etwas Komplexes wie eine Zelle zu bauen?
Ja, das ist eine gute Frage. Also zunächst, indem man einzelne Zellbestandteile nachbaut. Kerstin Göpfrig beispielsweise hat schon künstliche Kanalmoleküle konstruiert mithilfe des DNA-Origami, also dieser Technik, eben Molekülstrukturen zu falten aus DNA-Stücken. Diese künstlichen Kanäle sind molekulare Kanäle, die sich in die Zellmembran reinsetzen und nur bestimmte Moleküle durchlassen zwischen Zellinnen- und Zellaußenseite. Das kennt man ja auch von natürlichen Membrankanälen, die also in der Hülle von natürlichen Zellen sitzen.
Ja, und diese künstlichen Kanäle, die kann man natürlich designen, so dass sie eben ganz bestimmte gewünschte Eigenschaften haben, dass sie nur bestimmte Substanzen durchlassen und andere eben nicht. Auch Elemente des Zellskeletts hat Kerstin Göpfrich schon nachgebaut mithilfe von RNA-Origami. Also Zellskelett, das sind ja diese Strukturen, die eben die Zelle irgendwie in Form halten, die es natürlichen Zellen auch ermöglichen, sich zu bewegen und so weiter.
Ja, und weitere Dinge, an denen Kerstin Göpfrich forscht, sind sogenannte RNA-Aptamere. Das sind antikörperähnliche Strukturen aus RNA, die koppeln ganz spezifisch nur an bestimmte Moleküle. Also die erkennen nur ganz bestimmte Moleküle und koppeln daran. Und eine weitere spannende Sache sind Ribozyme. Das sind wiederum RNA-Strukturen, die katalytisch aktiv sind, die also bestimmte Stoffwechselreaktionen beschleunigen können und die auf diese Art und Weise ähnliche Funktionen übernehmen können wie Proteine in natürlichen Zellen.
Grundsatzfragen und Herausforderungen
Okay, verstehe. Aber was mich noch nicht ganz erschließt, ist also warum versucht man jetzt diesen Ansatz, nämlich Leben von Grund auf neu zu erschaffen, statt jetzt bestehende Zellen zu verändern, zum Beispiel?
Na ja, das ist ja zunächst mal eine spannende Grundsatzfrage. Also kann es gelingen, Leben künstlich herzustellen? Wir kennen ja genau einen Himmelskörper, auf dem es Leben gibt. Das ist halt die Erde. Damit haben wir sozusagen eine Stichprobe mit einem Element. Und das ist immer so ein bisschen schwierig in der Wissenschaft, wenn man eine Stichprobe von N gleich 1 hat. Damit kann man keine Statistik machen und so weiter.
Ja, also damit verbinden sich ja ganz, ganz weitreichende Fragen. Also ist es wirklich dermaßen unwahrscheinlich, dass Leben entsteht auf einem Planeten, dass es wirklich nur ein Planeten gibt, auf dem es passiert ist? Das ist eine ganz, ganz große Frage, die irgendwie auch ganz weitreichende philosophische und religiöse Implikationen hat. Na ja, wenn man das halt schaffen würde, Leben noch mal neu zu bauen und zwar ganz anders, als wir es kennen, dann wüsste man, dass das gar nicht so unwahrscheinlich ist.
Und wenn das gar nicht so unwahrscheinlich ist, dann kann man auch davon ausgehen, dass es auch auf anderen Himmelskörpern durchaus häufiger vermutlich vorkommt, dass dort Leben entsteht. Also ja, das sind so eben ganz solche Grundsatzfragen, die da mitschwingen.
Aber daneben hat diese Bottom-Up-Forschung auch noch ganz praktische Aspekte. Also wenn man so Bottom-Up-Systeme baut, also von Grund auf neu und sozusagen das Leben ganz neu aufsetzt, dann können diese Strukturen, die man da erschafft, wahrscheinlich auch ganz neue Pfade der Evolution beschreiten. Denn die natürlichen Zellen, die wir kennen, die können ja nicht sich in beliebige evolutionäre Richtungen entwickeln, sondern die natürliche Evolution kann ja immer nur von bestimmten Startpunkten ausgehen, sprich also von existierenden Organismen.
Und jede neu entstehende Tochtergeneration muss wieder lebens- und vermehrungsfähig sein und so weiter. Das sind so Einschränkungen, die die natürliche Evolution hat. Und deshalb kann die natürliche Evolution nur bestimmte Pfade beschreiten. Wenn man das Ganze komplett neu aufsetzt, dann kommt man wahrscheinlich auch an den Punkt, wo man eben ganz andere evolutionäre Pfade auch beschreiten kann und damit möglicherweise auch ganz neue Lösungen finden kann für Probleme, die man lösen möchte, jetzt beispielsweise in der Biotechnologie und so weiter.
Ein weiterer Aspekt ist, dass man mit Bottom-Up möglicherweise auch Instruktionsprobleme umgehen kann, die man bei Top-Down-Ansätzen hat. Wenn man Top-Down macht, also man nimmt eine bereits existierende lebende Zelle und verändert sie, hat man häufig Probleme, beispielsweise dergestalt, dass man bestimmte Genregulationsmechanismen, die es ja schon gibt in der Zelle, sehr schwer umgehen kann durch Manipulation. Wenn man das ganze System aber komplett neu aufsetzt, dann schafft man es vielleicht einfach, etwas zu bauen, wo sich diese verschiedenen Dinge, die eine Rolle spielen, dabei halten.
Ich stelle es mir so ein bisschen vor, wie wenn man sich ein Haus kauft und das umbaut oder wenn man eins von Grund auf neu aufbaut. Da hat man natürlich auch ein bisschen mehr Auswahl, was man so machen will.
Bausteine für künstliches Leben
Ja, genau, das ist, glaube ich, ein ganz guter Vergleich. Welche Bausteine braucht man denn, um künstliches Leben zu erzeugen? Das ist die große Frage, die noch offen ist. Da kommt man ja auch wieder gleich an so ein ganz grundsätzliches Ding, weil man sich ja überlegen kann: Die heutigen lebenden Zellen, die wir kennen, die sind ja wahnsinnig komplex. Die bestehen aus zehntausenden verschiedenen Molekülsorten, aus unwahrscheinlich vielen Proteinen, Nukleinsäuren, Lipidstrukturen und so weiter und so fort.
Die ersten Lebensvorstufen, die es gegeben hat, die waren wahrscheinlich viel einfacher. Wir wissen halt nicht, wie die ausgesehen haben, und deshalb wissen wir auch nicht so genau, wie einfach ein System sein kann, um noch Eigenschaften des Lebens zu zeigen. Damit verbindet sich dann auch deine Frage, was man eben braucht, um so künstliches Leben zu bauen. Man weiß es nicht.
Also vermutlich, wenn man künstliche Zellen baut, bei denen die Zellbestandteile aus gefalteter RNA bestehen, also indem man RNA-Origami macht, dann braucht man wahrscheinlich keine Proteine. Künstliche Zellen brauchen möglicherweise keine Proteine. Was sie wahrscheinlich brauchen, ist eine Lipidmembran, wie man sie ja auch von natürlichen Zellen kennt. Denn die Lipidmembran ist aus verschiedenen Gründen wahrscheinlich unverzichtbar.
Also sie schließt die inneren Bausteine ein, sie grenzt die inneren Bausteine von der Außenwelt ab und ganz wichtig: Sie sorgt dafür, dass, wenn so ein System eine Evolution durchläuft, sich das System nicht nur zum einfachsten möglichen Replikator hin entwickelt. Wenn man jetzt einfach nur ein RNA-Molekül hat, was sich selbst kopiert, und dieses RNA-Molekül überlässt man sich selbst, lässt man also eine Evolution machen, dann wird das RNA-Molekül immer einfacher, was ja auch ganz logisch ist, weil je einfacher es ist, umso schneller kann es sich kopieren, und dann hat es einfach einen Selektions- und Vermehrungsvorteil.
Das will man natürlich nicht haben bei so einem künstlichen System, sondern man möchte ja Systeme haben, die sich in irgendeine nützliche Richtung entwickeln. Und offensichtlich ist die Lipidmembran dafür wichtig, weil die Lipidmembran dafür sorgt, dass die Evolution nicht nur zum einfachsten Möglichen hingeht, sondern auch zum Komplexeren. Denn wenn man eine Lipidmembran hat, dann begünstigt die Evolution auch neue Zustände, die beispielsweise die Interaktion mit der Außenwelt fördern. Und das geht dann mehr in Richtung Komplexität und damit in die Richtung, die man haben will.
Deswegen ist eine Lipidmembran wahrscheinlich unverzichtbar. Und wahrscheinlich ist auch eine DNA als Informationsspeicher unverzichtbar. Rein theoretisch könnte man sich vorstellen, dass man nur eine RNA hat in so einem künstlichen System. Die RNA würde dann sowohl die Erbinformation tragen als auch Stoffwechselreaktionen beschleunigen, beispielsweise. Aber wenn man die beiden Funktionen in einem Molekül vereint hat, dann ist das ganze System sehr anfällig gegenüber Veränderungen.
Kann man sich ja auch vorstellen: Wenn dann irgendwie eine Mutation auftritt, dann geht eine von beiden Funktionen wahrscheinlich verloren, und damit ist das ganze System nicht mehr lebensfähig. Wenn man aber Informationsspeicherung und Katalyse trennt, also die Informationen liegen gespeichert auf der DNA, die RNA macht die Katalyse beispielsweise, dann hat man eben zwei getrennte Funktionsträger, und das macht das ganze System robuster und widerstandsfähiger und eröffnet der Evolution damit einen größeren Spielraum.
Zukunftsperspektiven
Deshalb braucht man in so einem künstlichen System wahrscheinlich auch DNA. Also, wir halten fest: Es muss nicht unbedingt so sein, dass künstliches Leben aus den gleichen Bausteinen besteht wie das Leben, was wir kennen. Es ist natürlich immer ein bisschen schwer, sich daraus zu denken, weil wir kennen ja eben nur das eine, wie du schon gesagt hast.
Das würde ja aber auch bedeuten, es müsste nicht die gleichen Eigenschaften vielleicht haben wie das Leben, an das wir jetzt denken. Und das führt uns ja so ein bisschen zu der Frage: Könnte künstliches Leben die Natur überflügeln? Also Dinge tun, die vielleicht natürliche Organismen nicht drauf haben?
Ja, wahrscheinlich schon. Also das kann man sich schon vorstellen. Wenn jetzt so ein künstliches System eben, sagen wir mal, andere evolutionäre Pfade durchläuft, das, was ich vorhin erzählt hatte, dann kann man sich ja auch vorstellen, dass es eben in dem Raum der Möglichkeiten auch an Orte kommt, wo die natürliche Evolution nicht hinkommt.
Und ja, wenn so ein künstliches System beispielsweise keine Proteine hat, dann unterliegt es natürlich auch nicht den Beschränkungen, die ein proteinbasierter Stoffwechsel hat. Also ein System ohne Proteine wäre beispielsweise resistent gegen sämtliche Wirkstoffe, die eben gegen Proteine wirken. Nur mal um ein Beispiel zu nennen.
Und man könnte solche künstlichen Systeme auch so designen, also man könnte sie auch einer gerichteten Evolution aussetzen und dadurch auf bestimmte Aufgaben hin optimieren. Also ein Beispiel wäre ein künstliches Minimalsystem, dessen Aufgabe es ist, Krebstellen zu erkennen und zu vernichten. Und so ein System könnte man ja durch Design und durch gerichtete Evolution möglicherweise viel weiter noch optimieren auf diese Aufgabe hin, als es mit natürlichen Zellen möglich ist, sodass man am Ende vielleicht eine Art ultimativen Krebskiller bekommt oder sowas. Also nur mal so als Beispiel.
Ja, also spricht ja gerade medizinische Anwendungen schon so ein bisschen an. Lass uns darauf vielleicht auch noch ein bisschen eingehen. Jetzt auch: Wofür könnte man solche künstlichen Zellen denn in Zukunft einsetzen? Also was sind langfristige Ziele solcher Forschung?
Ja, da ist vieles denkbar. Also eine Anwendung, eine mögliche Anwendung hatte ich ja gerade schon genannt, eben in der Medizin. Aber man kann sich auch andere Anwendungen vorstellen, also beispielsweise synthetische Minimalzellen, die zum Plastikabbau befähigt sind, die also supergut Plastik abbauen können und die man auf diese Weise vielleicht nutzen könnte, um das Problem des Plastikmülls zu bewältigen.
Man könnte sich auch künstliche Minimalzellen vorstellen, die möglicherweise auch Ölverschmutzung extrem schnell abbauen können und auf die Art und Weise eben helfen könnten, beispielsweise eine Ölpest also deren Folgen eben einzudämmen. Man könnte sich auch künstliche Minimalzellen vorstellen, die sowas wie eine perfektionierte Photosynthese betreiben und dadurch extrem schnell Kohlenstoffdioxid in der Luft in Biomasse umwandeln. Also ja, da ist vieles vorstellbar.
Na ja, sehr, sehr interessant. Okay, also nicht nur auf diesen medizinischen Bereich beschränkt. Das Potenzial ist also sehr, sehr groß, auch wenn wir gehört haben, dass das natürlich noch ein bisschen an den Anfängen steht.
Frank, zum Abschluss die Frage: Was sind denn jetzt noch so die größten Hürden, die genommen werden müssen oder die größten Herausforderungen, bis wir sagen, wir können solche künstlichen Zellen dann erschaffen?
Na ja, wir stehen ja heute, also das Leben, was wir heute vor uns haben, habe ich ja vorhin schon gesagt, ist ja extrem komplex. Also mit zehntausenden verschiedenen Molekülsorten, unwahrscheinlich vielen Proteinen, Enzymen, Nukleinsäuren, Lipidstrukturen und so weiter. Und man steht also vor einem wahnsinnig komplexen Apparat.
Also ich glaube, diese Lebensstrukturen, die wir heute kennen, gehören überhaupt zu den komplexesten Strukturen im gesamten Universum, also zumindest die wir kennen. Und das ist natürlich, man weiß nicht genau, muss dieser Apparat so wahnsinnig komplex sein, um die Eigenschaften von Leben zu haben, oder kann er auch vielleicht viel einfacher sein und trotzdem noch die Eigenschaften von Leben haben? Und das wissen wir nicht, weil wir haben ja eben nur die Stichprobe von N gleich 1.
Und leider existieren eben auch diese Lebensvorstufen nicht mehr, die es vor vielen Milliarden Jahren mal gegeben hat oder vor einigen Milliarden Jahren. Ja, deswegen ist diese Frage eben offen: Wie einfach kann so ein Apparat sein, um noch die Eigenschaften von Leben zu haben? Und weil man das nicht weiß, weiß man auch nicht, welche Komponenten man unbedingt dafür braucht und welche Regulationsmechanismen erfüllt sein müssen zwischen diesen Komponenten, damit das Ganze eben funktioniert und die Eigenschaften von Leben hat.
Das ist eben eine große Schwierigkeit dabei. Man weiß eben gar nicht so genau, in welche Richtung man laufen muss, um zu einer synthetischen Minimalzelle zu kommen. Wahrscheinlich oder möglicherweise muss man dazu viel komplexere Systeme bauen, als das heute möglich ist und als wir uns das derzeit auch vorstellen können. Aber es ist nicht ganz klar. Es könnte auch sein, dass ein ganz einfaches Minimalsystem, was sozusagen nur wächst und sich vervielfältigt, vielleicht auch nur zwei Komponenten braucht. Also eine Zell-Skelett-Komponente und eine Membran-Poren-Komponente. Das weiß man eben nicht.
Sehr interessant, was da noch alles erforscht werden muss. Und wenn ihr mehr dazu erfahren wollt, dann könnt ihr das auf spektrum.de. Da könnt ihr nämlich zum Beispiel Franks langes Gespräch mit der Biophysikerin Kerstin Göpfrich, die wir hier ein paar Mal erwähnt haben, auch nochmal nachlesen.
Und Frank, dir sage ich vielen, vielen Dank, dass du uns hier schon ein paar Eindrücke gegeben hast.
Ja, danke von mir. Das war’s für diese Woche vom Spektrum-Podcast. Vielen, vielen Dank euch fürs Zuhören. Gerne auch kommende Woche wieder dabei sein. Wie immer am Freitag gibt es dann eine neue Folge von uns, und bis dahin würde ich mich freuen, wenn ihr den Podcast abonniert, kommentiert, bewertet und teilt. Das hilft uns sehr. Auch dafür vielen, vielen Dank. Mein Name ist Max Zimmer, und ich sage Tschüss und macht’s gut! Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm.
Foto: Spektrum der Wissenschaft