Erste selbstbewegliche künstliche Zelle geschaffen

tế bào - Ảnh 1. — Neben dem grundlegenden wissenschaftlichen Wert eröffnet der Erfolg bei der Schaffung selbstbeweglicher künstlicher Zellen auch zahlreiche potenzielle Anwendungen in der Biomedizin und im Bauwesen – Foto: AI

In der in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit hat eine Gruppe von Wissenschaftlern Das Institut für Biotechnologie von Katalonien (IBEC) , die Universität Barcelona, das University College London, die Universität Liverpool, das Biofisika Institute und die Ikerbasque Science Foundation erklären, die künstliche Zelle sei eine der einfachsten Strukturen, die je geschaffen wurden: Sie bestehe lediglich aus einer Lipidmembran, einem Enzym und einer Pore. Dennoch sei sie in der Lage, sich anhand chemischer Reaktionen zu orientieren und zu bewegen, ähnlich wie Spermien Eizellen finden oder weiße Blutkörperchen Anzeichen einer Infektion aufspüren.

Dieses Phänomen wird Chemotaxis genannt, die Fähigkeit, sich entsprechend chemischer Konzentrationen zu bewegen, was in der biologischen Welt eine wichtige Überlebensfähigkeit darstellt. Das Besondere an dieser künstlichen Zelle ist, dass sie keine komplexen Strukturen wie Flagellen oder Rezeptoren benötigt.

„Wir haben diese gesamte Mobilität mit nur drei Elementen nachgebildet: einer Membran, einem Enzym und einer Kernpore. Kein Aufwand. Und dann kamen die verborgenen Regeln des Lebens ans Licht“, erklärte Professor Giuseppe Battaglia (IBEC).

Die künstlichen Zellen bestehen aus Liposomen, Fettbläschen, die echte Zellmembranen nachahmen. In einer Umgebung mit einem Glukose- oder Harnstoffkonzentrationsgradienten reagieren Enzyme in den Liposomen mit diesen Molekülen und erzeugen einen Konzentrationsunterschied.

Dieses Ungleichgewicht erzeugt eine mikroskopische Strömung über die Zelloberfläche und drückt die Zelle zur Seite mit der höheren Konzentration. Die Membranporen wirken wie ein kontrolliertes „Schleusentor“ und erzeugen die Asymmetrie, die für die Schubkraft erforderlich ist, ähnlich wie ein Boot durch die Strömung des Wassers angetrieben wird.

In ihren Experimenten untersuchte das Team mehr als 10.000 künstliche Zellen in mikrofluidischen Kanälen unter streng kontrollierten Gradientenbedingungen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich Zellen mit mehr Kernporen stärker in Richtung Chemotaxis bewegten; Zellen ohne Poren bewegten sich lediglich passiv, möglicherweise durch einfache Diffusion.

In der Natur ist Beweglichkeit eine lebenswichtige Überlebensstrategie. Sie hilft lebenden Zellen, Nährstoffe zu finden, Giftstoffe zu vermeiden und ihr Wachstum zu koordinieren. Die präzise Simulation dieses Phänomens mit nur drei minimalen Komponenten hat Wissenschaftler der Entschlüsselung der möglichen Fortbewegungsvorgänge des Lebens in seiner frühen Evolution näher gebracht.

Neben ihrem grundlegenden wissenschaftlichen Wert eröffnet die Forschung auch zahlreiche potenzielle Anwendungen in der Biomedizin und im Bauwesen. So können künstliche Zellen beispielsweise so konzipiert werden, dass sie Medikamente an die richtige Stelle im Körper transportieren, chemische Veränderungen in der Mikroumgebung erkennen oder programmierbare selbstorganisierende Systeme in der Bauindustrie schaffen.

Da diese Zellkomponenten in der Biologie allgegenwärtig sind, können sie vergrößert oder angepasst werden, um weiche biomimetische Mikroroboter zu schaffen, die keine Metallrahmen oder elektronischen Schaltkreise benötigen.

„Beobachten Sie die Bewegung einer künstlichen Zelle genau. In ihrem Inneren liegt das Geheimnis: Wie die Zelle flüstert, wie sie lebenswichtige Dinge transportiert. Doch die natürliche Biologie ist zu laut, zu detailliert. Also ‚schummeln‘ wir ein wenig. Und dann wird alles stromlinienförmig, wunderschön, eine reine chemische Musik“, verglich Professor Battaglia.

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