Zelluläre Prozesse in membranlosen Organellen

Forschende um Prof. Dr. Edward Lemke (JGU Mainz) entwickeln membranlose Organellen, die völlig neue Funktionen in der Zelle übernehmen können. Im Rahmen der "Leben?"-Initiative fördert die Stiftung das Projekt in den kommenden Jahren mit rund einer Million Euro.

Foto einer Grünalge
Gilt als nahe der Schwelle von der Ein- zur Mehrzelligkeit: die Grünalge Volvox aureus (Foto: micro_photo-fotolia.com)

Ein wesentlicher Antrieb für die Entstehung von höheren Lebensformen war die Entwicklung von Organellen. Dabei handelt es sich um bestimmte, abgegrenzte Bereiche in einer Zelle, die verschiedene Funktionen übernehmen können. Mitochondrien zum Beispiel erzeugen Energie, der Zellkern speichert die Erbsubstanz, Chloroplasten in Pflanzen machen Photosynthese. Manche Organellen sind von einer Membran umschlossen, beispielsweise der Zellkern von der Kernmembran, andere Organellen sind membranlos. 

Prof. Dr. Edward Lemke, Professor für synthetische Biophysik an der Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU Mainz), und seinem Team gelang es, komplett neue, membranlose Organellen innerhalb einer lebenden Zelle zu konstruieren. Die Zelle besitzt damit mehrere unterschiedliche genetische Codes. Die neuen Organellen können synthetische Aminosäuren in Proteine einbauen und so Proteine mit neuartigen künstlichen Funktionen herstellen, die für verschiedene Anwendungen in der Biotechnologie, der Materialwissenschaft und der Biomedizin nutzbar sind. Beispielsweise könnten fluoreszierende Bausteine eingebaut werden, die mit bildgebenden Verfahren einen Blick ins Innere dieser Zelle erlauben, oder Antikörper-Medikamente, die zur gezielten Krebstherapie eingesetzt werden.

Zeichnung einer membranlosen Organelle
Organellen in einer Zelle können so konstruiert werden, dass sie Funktionen übernehmen können, wie zum Beispiel die Proteinsynthese, wodurch ein schrittweiser Zusammenbau von essenziellen Zellfunktionen möglich wird. (Bild: Nike Heinss)

Vision: neue Zellen in lebender Zelle heranwachsen lassen

"Der Schlüssel zu unserem Durchbruch lag darin, die Idee zu verwerfen, dass ein Organell in einer Zelle von einer Membran oder einer ähnlichen Umgrenzung eingekapselt sein muss, damit es spezielle Funktionen ausführen kann", so Lemke. "Auf Basis dieses simplen, aber leistungsstarken Konzepts glauben wir, nun die einzigartige Möglichkeit zu haben, auch alle anderen wesentlichen Prozesse in der Zelle nachzubilden."

Damit könnte den Erwartungen zufolge ein individuell anpassbares, parallel funktionierendes Zellsystem in der Zelle kreiert werden. Die Vision ist es, eine neue Zelle innerhalb einer lebenden Zelle heranwachsen zu lassen, Organelle um Organelle, Funktion um Funktion. "Dieser neue Ansatz erlaubt es uns, dass wir Schritt für Schritt die Entstehung von eukaryotischem Leben und eukaryotischem Altern beobachten und erforschen."

Die VolkswagenStiftung fördert Lemkes Forschungsvorhaben "De novo organism design from membraneless orthogonal central dogma organelles" in den kommenden fünf Jahren mit rund einer Million Euro im Rahmen der inzwischen beendeten Initiative "Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens". Mit dieser möchte die Stiftung Forschung an der Grenze zwischen den Natur- und Lebenswissenschaften unterstützen. Gefördert werden herausragende Projekte im Grenzbereich zwischen Natur- und Lebenswissenschaften mit Fragestellungen zu den Grundprinzipien des Lebens. 

Mehr Informationen zum Projekt finden Sie in der Pressemitteilung der JGU Mainz