Menschen haben die erste lebende Zelle von Hand geformt? Und es ist eine Kartoffel?

Vor ein paar Tagen, während ich im Internet surfte, stieß ich auf eine bahnbrechende Nachricht, die mit dem Klonschaf Dolly aus vergangenen Tagen mithalten kann.

Das Team von Kate Adamala an der Universität Minnesota hat angekündigt, dass sie erfolgreich die weltweit erste synthetische Zelle konstruiert haben, die einen „vollständigen Lebenszyklus“ durchlaufen kann.

Dieses Ding namens „SpudCell“ kann tatsächlich in einer Petrischale selbstständig Nährstoffe aufnehmen, wachsen, sein genetisches Material replizieren, sich teilen und sogar mit Artgenossen um Ressourcen konkurrieren.

Das klingt fast schon surreal: Sobald die Nachricht bekannt wurde, gerieten Medien in Aufregung, und einige Wissenschaftler verglichen es sogar mit dem „ersten Flug der Brüder Wright“ in der Biologie – als ob die Menschheit bald im Labor Massenproduktion von Leben als „Gott“ betreiben könnte.

Also haben wir uns das genauer angesehen, was es mit dieser vollständig von Menschenhand hergestellten synthetischen Zelle auf sich hat.

Diese SpudCell (im Folgenden „Kartoffel-Kid“ genannt) sieht, wie der Name schon sagt, unter dem Mikroskop uneben und wie eine Kartoffel aus.

Gleichzeitig ist der Name eine Hommage an den ersten künstlichen Satelliten „Sputnik“ – das Forschungsteam hofft, damit eine neue Ära der biologischen Ingenieurwissenschaften einzuläuten. Außerdem scherzt die leitende Forscherin Kate über ihre polnische Herkunft: Für Polen ist die Kartoffel so wichtig wie Reis für andere Kulturen, daher wird Polen in Europa oft scherzhaft mit Kartoffeln assoziiert.

Im Grunde genommen ist das „Kartoffel-Kid“ noch kein echtes lebendiges Wesen.

Es hat nur 90.000 Basenpaare im Genom – während Menschen ganze 3 Milliarden haben und selbst E. coli-Bakterien 4,6 Millionen besitzen.

Diese 90.000 Basenpaare kodieren für 36 Gene, die nicht in einem einzigen vollständigen DNA-Molekül angeordnet sind, sondern wie Teile auf 7 separate DNA-Moleküle verteilt sind. Daher gehen bei jeder Replikation und Vermehrung unweigerlich einige Komponenten verloren.

Deshalb ist die Überlebensfähigkeit des „Kartoffel-Kids“ sehr schwach: Im Experiment behielten nach 5 Teilungsgenerationen nur etwa 30 % der überlebenden Zellen glücklicherweise das vollständige Genom.

Darüber hinaus kann es aufgrund der extrem geringen Anzahl an Genen nicht einmal die grundlegendsten Ribosomen (die Protein-Fabriken der Zelle) herstellen – es ist also völlig unfähig, sich selbst zu versorgen.

Um es am Leben zu halten, haben die Wissenschaftler ihm einen „Lieferboten“ zugewiesen: nährstoffbeladene Liposomen mit einem Durchmesser von etwa 0,4 Mikrometern, die Nährstoffe, Ribosomen und ATP enthalten. Sobald die Hülle des „Kartoffel-Kids“ mit diesen Liposomen verschmilzt, ist die „Lieferung“ abgeschlossen.

Wichtiger Hinweis

Nachdem das „Kartoffel-Kid“ „gegessen“ hat, beginnt das darin enthaltene Phi29-Polymerase-Enzym intensiv zu arbeiten – durch Rolling-Circle-Amplifikation repliziert es das gesamte Genom der 7 Plasmide.

Aber selbst dieses schwache „Kartoffel-Kid“ stößt bei der Vermehrung an seine Grenzen.

Um die Erfolgsrate der Vermehrung zu gewährleisten, nutzten die Wissenschaftler eine einfache, aber brutale Methode: mechanisches Quetschen durch eine Filtermembran, um die Replikation und Teilung gewaltsam durchzuführen.

Noch interessanter ist, dass das Forschungsteam dem „Kartoffel-Kid“ ein „Hungerspiel“ veranstaltet hat.

Sie erstellten zwei Zelltypen: eine normale Version und eine MAX-Version mit einem größeren „Nährstoffspeicher“, die Nährstoffe effizienter aufnehmen kann.

Das Ergebnis zeigte: Die bessere Ausstattung führte tatsächlich zu einer besseren Nische – nach 5 Generationen stieg der Anteil der MAX-Version von anfänglichen 50 % auf 61 %. Sogar wenn sie zu Beginn nur 10 % ausmachten, erreichte ihr Anteil nach 5 Generationen 38 %.

Je weniger Nährstoffe zur Verfügung standen, desto deutlicher zeigte sich dieser Vorteil: Im Mangel-Experiment, bei dem die Konzentration der „Lieferboten“ nur ein Zehntel des Normalwerts betrug, monopolisierte die MAX-Version fast die knappen Ressourcen – nach 5 Generationen erreichte ihr Anteil 70 %.

Obwohl das „Kartoffel-Kid“ sehr simpel wirkt, ist sein Konzept der eigentliche Grund für die Begeisterung in der Wissenschaft.

Vor dem „Kartoffel-Kid“ folgten die meisten Projekte zur Herstellung synthetischer Zellen einem „Top-Down“-Ansatz.

Einfach ausgedrückt: Man entfernte schrittweise Gene aus vorhandenen Zellen oder Bakterien, um herauszufinden, welche Gene für das Leben essenziell sind – und forschte dann gezielt weiter.

Der Pionier der Synthetikbiologie Craig Venter nahm ein lebendes Bakterium (Mycoplasma mycoides) und entfernte so lange Gene, bis er 2016 die damals bekannte Zelle mit dem kleinsten Genom erzeugt hatte – sie besaß nur 473 Gene.

Das klingt zuverlässig, aber das Schicksal spielte einen grausamen Streich: Obwohl Venter das Genom auf nur 473 Gene reduziert hatte, war die Funktion von 149 davon immer noch unbekannt.

Das ist wie ein uraltes, wiederholt überarbeitetes „Chaos-Code“-Projekt, das gerade noch läuft: Man hat es zwar vereinfacht, aber es gibt immer noch unzählige „Black-Box“-Funktionen, deren Zweck man nicht kennt – und ein falscher Klick kann alles zum Absturz bringen.

Das „Kartoffel-Kid“ hingegen ging den umgekehrten Weg: einem entschlossenen „Bottom-Up“-Ansatz. Statt vorhandenes Leben zu modifizieren, bauten sie das System vollständig aus reinen Chemikalien von Grund auf auf.

Das Team verwendete ausschließlich nicht-lebendige gereinigte Enzyme, synthetische Lipide und ein zellfreies Translationssystem namens PURE, um das System von Grund auf zu konstruieren.

Das bedeutet, das System ist 100 % transparent: Die Wissenschaftler kennen jede einzelne Komponente und ihre genaue Konzentration. Der Übergang von der zufallsgesteuerten Entdeckungswissenschaft zu vollständig kontrollierbarem Ingenieurdesign macht es so revolutionär.

Aber genau dieser unkonventionelle Ansatz führte dazu, dass das „Kartoffel-Kid“ zunächst nicht gut ankam.

Das Team reichte die Arbeit voller Zuversicht bei der Top-Zeitschrift *Cell* ein – wurde aber abgelehnt. Ein Gutachter erklärte direkt: Das „Kartoffel-Kid“ sei keine echte Biologie (es sei eher Ingenieurwissenschaft, als Biologie).

Mittlerweile ist die Arbeit als Preprint auf *bioRxiv* veröffentlicht – sie muss noch das offizielle Peer-Review-Verfahren durchlaufen, um vollständig anerkannt zu werden.

Aber bevor die leitende Forscherin Kate Adamala das Manuskript hochlud, schickte sie es vorab an Journalisten verschiedener Technikmedien.

Dieser Trick, erst Medien für Aufmerksamkeit zu gewinnen und dann das Peer-Review durchzuführen, hinterließ bei vielen Fachleuten einen schlechten Eindruck.

Wenn es also kein echtes lebendiges Wesen ist und noch unvollkommen – wozu dient das „Kartoffel-Kid“ dann?

Der Grund liegt darin, dass alle heutigen Lebewesen auf der Erde ihr eigenes, über Millionen von Jahren gewachsenes „Chaos-Code“-Genom besitzen. Wenn Wissenschaftler versuchen, Probleme durch direkte Genombearbeitung von Grund auf zu lösen, entstehen unvorhergesehene Nebenwirkungen oder öffentliche Kritik.

Das „Kartoffel-Kid“ ist das erste vollständig aus reinen Chemikalien aufgebaute System, das Menschen von Grund auf konstruiert haben.

Seine Funktionen sind zwar extrem simpel, aber jede Zeile seiner grundlegenden Architektur und jede Konzentration seiner Komponenten ist vollständig bekannt. Wenn wir von hier aus beginnen, Zellen und Leben „rückzuentwickeln“, könnte die Menschheit tatsächlich zu einem Schöpfer werden, der alles kontrolliert.

Und das Team hat bereits konkrete Pläne: Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Stanford-Universität gründeten sie eine gemeinnützige Organisation namens „Biotic“ und erhielten Startkapital in Höhe von etwa 10 Millionen US-Dollar.

Ihr ultimatives Ziel ist es, dieses grundlegende biologische System nach dem Vorbild von Linux vollständig quelloffen zu machen.

Ist das 21. Jahrhundert also wirklich das Jahrhundert der Biologie?

Das zu behaupten ist noch zu früh – lassen wir uns erst einmal wünschen, dass diese „Kartoffel“ das Peer-Review erfolgreich übersteht und in einer Top-Zeitschrift veröffentlicht wird.

Bild- und Quellenangaben:

Science: Lab-created „SpudCell“ marks „stunning“ step toward building life from scratch

The New York Times: Scientists Made a Cell With Most of the Hallmarks of Life. Here’s What to Know.

A Chemically Defined Synthetic Cell Capable Of Growth And Replication

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „X.PIN“, Autor: Bajie, Redakteure: Jiangjiang & Mianxian, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.