Wie entsteht Leben aus unbelebter Materie? Künstliche Zellvorstufen beginnen sich nach gezielten Mutationen zu bewegen

Wie kann aus unbelebter Materie etwas entstehen, das sich bewegt, wächst und neue Fähigkeiten entwickelt? Wissenschaftler sind dieser uralten Frage einen Schritt nähergekommen. Bereits eine Mutationsrate von drei Prozent genügte, um künstliche RNA-Tröpfchen grundlegend zu verändern: Sie bildeten langlebige Hohlräume, bewegten sich stärker und konnten erstmals kleine Moleküle in ihrem Inneren speichern. Damit entstanden mehrere Eigenschaften, die für die Entwicklung künstlicher Zellen von Bedeutung sind.

Hinter der Entdeckung stehen Wissenschaftler der Universität Heidelberg und der Universität Augsburg sowie des Deutschen Krebsforschungszentrums. Sie arbeiteten mit winzigen Tröpfchen aus Ribonukleinsäure (RNA), einem Molekül, das in lebenden Zellen an der Verarbeitung genetischer Informationen beteiligt ist. Die künstlich hergestellten RNA-Bausteine lagern sich selbstständig zu Tröpfchen zusammen. Als die Wissenschaftler deren DNA-Vorlagen veränderten, entstanden neue innere Strukturen und zusätzliche Funktionen. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature Chemical Engineering.

Künstliche Zellen bilden durch Mutationen ungewöhnlich stabile Hohlräume

Bei größeren mutierten RNA-Tröpfchen entstanden besonders häufig Hohlräume, sogenannte Vakuolen. Von den Exemplaren mit einem Radius über 25 Mikrometern entwickelten 94 Prozent solche Strukturen. Bei den unveränderten Tröpfchen blieb das Innere dagegen gleichmäßig. Ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter.

Die Vakuolen hielten sich erstaunlich lange. Selbst nach 13 Tagen bei 37 Grad Celsius waren sie noch vorhanden. Außerdem wuchsen sie während der laufenden RNA-Produktion weiter. Die mutierten Tröpfchen wurden insgesamt größer als ihre unveränderten Gegenstücke.

Wenige Mutationen verändern die RNA-Tröpfchen grundlegend

Die genetischen Veränderungen erzeugten die Wissenschaftler gezielt im Labor. Dazu vervielfältigten sie die DNA-Vorlagen und bauten mithilfe spezieller chemischer Bausteine Kopierfehler ein. So konnten sie steuern, wie häufig Mutationen auftraten. Schon wenige Veränderungen reichten aus, damit sich in den daraus entstandenen RNA-Tröpfchen Hohlräume bildeten.

Neben den genetischen Veränderungen spielte auch die Größe der Tröpfchen eine wichtige Rolle. Die Wissenschaftler ermittelten in Experimenten und Berechnungen mehrere Bedingungen für die Entstehung der Hohlräume:

Rund drei Prozent Mutationsrate: Durchschnittlich sieben veränderte Bausteine pro DNA-Vorlage genügten in einem Experiment.
Mehr als etwa zwei Prozent mutierte DNA-Vorlagen: Ab diesem Anteil konnten im untersuchten Modell Hohlräume entstehen.
Rund 20 Mikrometer Radius: Kleinere Tröpfchen bildeten unter den untersuchten Bedingungen keine entsprechenden Hohlräume.

Eine höhere Mutationsrate führte jedoch nicht automatisch zu zusätzlichen Fähigkeiten. Bei stärkeren Veränderungen entstanden teilweise ausgedehnte RNA-Netzwerke oder ungeordnete Ansammlungen von Molekülen.

Mutierte Tröpfchen bewegen sich deutlich stärker

Die neu entstandenen Hohlräume beeinflussten auch das Verhalten der künstlichen Zellvorstufen. Mutierte Tröpfchen legten größere Strecken zurück als unveränderte. Ihre Bewegungen verliefen unregelmäßig und teilweise ruckartig. Einzelne Exemplare blieben über viele Stunden in Bewegung.

Die Wissenschaftler verfolgten dafür 1.489 unveränderte und 724 mutierte Tröpfchen. Anschließend verglichen sie jeweils die 100 beweglichsten Exemplare. Der Unterschied war statistisch hochsignifikant. Die Beobachtungen dauerten bis zu 56 Stunden.

© William Verstraeten Wenige gezielte Mutationen verändern die künstlichen RNA-Tröpfchen: Im Inneren entstehen mehrere Hohlräume (grün), die Moleküle aufnehmen können. Gleichzeitig werden die zellähnlichen Strukturen beweglicher. © William Verstraeten

Innere Verschiebungen treiben die Bewegung an

Einen eigenen Antrieb besitzen die künstlichen Strukturen nicht. Ihre Bewegung entsteht durch Veränderungen im Inneren. Wenn sich neue Hohlräume bilden oder vorhandene wachsen, verdrängen sie RNA-Material. Dadurch verschiebt sich die Masse des Tröpfchens und seine Position verändert sich.

Die Wissenschaftler konnten die Bewegungsrichtungen der Hohlräume und der gesamten Tröpfchen miteinander vergleichen. Häufig bewegten sich beide in entgegengesetzte Richtungen. Die größere Beweglichkeit erhöhte außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Tröpfchen aufeinandertrafen. Bei solchen Begegnungen verschmolzen sie miteinander und bildeten größere Strukturen.

Hohlräume speichern kleine Moleküle im Inneren

Die Vakuolen können auch als Speicher dienen. In den Experimenten gelangten bestimmte Moleküle durch die dichte RNA-Struktur bis in die Hohlräume. Dort sammelten sie sich an. Die Wissenschaftler verwendeten unter anderem Dextran, einen Stoff aus miteinander verbundenen Zuckerbausteinen. Die getesteten Moleküle waren ungefähr zehn Nanometer groß.

Größere Fettbläschen mit einem Durchmesser von 50 Nanometern konnten die dichte RNA-Schicht dagegen nicht durchdringen. Mithilfe spezieller Bindungsstellen ließen sich andere Fettbläschen gezielt an der Außenseite befestigen. Die künstlichen Strukturen konnten somit unterschiedliche Stoffe räumlich voneinander trennen.

Veränderte RNA löst im Inneren eine Kettenreaktion aus

Für die Entstehung der Hohlräume sind die Wechselwirkungen zwischen den RNA-Bausteinen verantwortlich. Während neue RNA entsteht, wachsen die Tröpfchen. Die Moleküle verteilen sich jedoch nicht überall gleich schnell. Besonders im zähflüssigen Inneren können sich Unterschiede in der Konzentration aufbauen.

Die mutierten RNA-Bausteine verändern zusätzlich die gegenseitige Anziehung der Moleküle. Überschreiten die Konzentrationsunterschiede eine bestimmte Schwelle, entsteht eine lokale Instabilität. Ein Bereich mit geringerer RNA-Dichte bildet sich und entwickelt sich zum Hohlraum. Der Augsburger Physiker Christoph Weber erklärt: „Aufgrund der schnellen Anhäufung von Masse kann es zu lokalen Instabilitäten kommen, aus denen sich die Hohlräume bilden.“

Künstliche Zellen könnten künftig Wirkstoffe transportieren

Die RNA-Tröpfchen schließen ihre DNA-Vorlage ein und entwickeln durch genetische Veränderungen neue Eigenschaften. Damit erfüllen sie mehrere Voraussetzungen für evolutionäre Prozesse. Lebende Zellen sind sie allerdings nicht. Eine eigenständige Vermehrung oder eine dauerhafte Evolution über mehrere Generationen wurde bislang nicht nachgewiesen.

Langfristig könnten solche künstlichen Systeme für medizinische Anwendungen interessant werden, etwa für den Transport bestimmter Wirkstoffe. Die Heidelberger Molekularbiologin Kerstin Göpfrich möchte außerdem synthetische Systeme entwickeln, die ausgewählte Aufgaben von Immunzellen übernehmen. Bis solche Anwendungen möglich sind, müssen die künstlichen Zellvorstufen jedoch weitere Fähigkeiten erhalten.

Kurz zusammengefasst:

Wenige Mutationen reichen aus: Bereits eine im Labor erzeugte Mutationsrate von drei Prozent ließ künstliche RNA-Tröpfchen langlebige Hohlräume bilden.
Die Tröpfchen entwickeln neue Fähigkeiten: Durch Verschiebungen im Inneren bewegen sie sich stärker, verschmelzen häufiger miteinander und können kleine Moleküle speichern.
Ein Schritt auf dem Weg zu künstlichen Zellen: Die RNA-Tröpfchen besitzen einige Voraussetzungen für evolutionäre Prozesse, sind aber weder lebendig noch zur eigenständigen Vermehrung fähig.

Übrigens: Die Entstehung des Lebens könnte ganz anders verlaufen sein als bisher angenommen. Wissenschaftler fanden Hinweise darauf, dass sich die ersten biologischen Systeme auf zwei getrennten Wegen entwickelt haben könnten – mehr dazu in unserem Artikel „Der Ursprung des Lebens könnte zwei getrennte Wege genommen haben“.

Bild: © Pexels