In der Synthetischen Biologie entwickeln Forschende zellfreie Systeme: miniaturisierte „Fabriken“, die spezifische Aufgaben erfüllen, ohne eine lebende Zellumgebung zu benötigen. Diese Systeme sollen nach dem Vorbild natürlicher biologischer Prozesse autonom, effizient und selbsterhaltend arbeiten.
Eine zentrale Innovation auf diesem Gebiet ist der CETCH-Zyklus – ein synthetisches Stoffwechselnetzwerk, das CO2 in organische Säuren umwandelt. Dieser Prozess ähnelt der Photosynthese in Pflanzen, bei der das Treibhausgas gebunden und in wertvolle Verbindungen umgewandelt wird.
Der Einbau von biochemischen Feed-Forward-Schleifen ermöglichen es dem System bereits, seine eigenen Enzyme zu regenerieren. Die größte Herausforderung auf dem Weg zu echter Autonomie bleibt jedoch die Energieversorgung: Ein wirklich selbsttragendes System muss seine Energie selbst erzeugen, anstatt auf externe Quellen angewiesen zu sein.
Minimale Atmungskette beschleunigt zellfreien Stoffwechselprozess
Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg entwickelte eine integrierte künstliche „Batterie" auf Basis der Atmungskette – jener zellulären Maschinerie, die für die Energieerzeugung zuständig ist. Zellen atmen Sauerstoff, um Energie zu gewinnen. Dabei wird eine elektrische Spannung an der Zellmembran erzeugt, die für Biosynthesen eingesetzt werden kann. Dieser Prozess, die in nahezu allen Lebewesen vorkommt, umfasst selbst in einfachen Organismen wie Bakterien mehr als 50 Komponenten.
„Die zelluläre Atmung ist unglaublich komplex und eng mit dem Stoffwechsel der Zelle verknüpft, was ihre Nutzung für neue Anwendungen erschwert,“ erklärt Dr. Owen Jarman, Erstautor der Studie. „Deshalb entwickelten wir für unser künstliches CO₂-Fixierungssystem mit den Werkzeugen der Synthetischen Biologie eine minimale Atmungskette von Grund auf neu." Die Forschenden statteten leere künstliche Zellkompartimente mit einem minimalen, sorgfältig ausgewählten Satz an Komponenten aus. „Als wir dieses maßgeschneiderte Atmungssystem mit unseren künstlichen CO₂-Stoffwechselwegen koppelten, beobachteten wir eine deutlich schnellere CO₂-Umwandlung", berichtet Owen Jarman. „Wir konnten außerdem zeigen, dass sich mehr Energie gezielt in den CO₂-Umwandlungsprozess lenken lässt."
Das Energiemodul kann zudem andere essentielle Funktionen antreiben, etwa die Transkriptions-Maschinerie, die DNA abliest, um Proteine herzustellen. Darüber hinaus ermöglichen mehrere Einstiegspunkte die Nutzung vielseitiger Ausgangsstoffe wie Formiat, ein nachhaltiger chemischer Energieträger.
Grundlagenforschung inspiriert neuartige Sensortechnologien
Obwohl die entwickelten Zellkompartimente ursprünglich für die CO₂-Fixierung konzipiert wurden, reichen mögliche Anwendungen weit darüber hinaus. Dr. Jarman untersucht derzeit, wie sich die Erkenntnisse aus dieser Grundlagenforschung in praktische Technologien überführen lassen. Er gründete das Spin-off-Projekt DynaPore mit, das elektronische Chips mit stabilen synthetischen Membranen entwickelt, in denen Proteine integriert sind. Diese ermöglichen, basierend auf der Messung von Spannungsänderungen über die Membranen, die Entwicklung neuer Biosensoren und diagnostischer Werkzeuge.
„Dieses Beispiel zeigt, wie Grundlagenforschung zu neuen Technologien in unerwarteten Bereichen führen kann", betont Projektleiter Prof. Dr. Tobias Erb. „Es verdeutlicht zugleich das transformative Potenzial der Synthetischen Biologie." Gemeinsam mit Professorin Petra Schwille, Direktorin am Max-Planck-Institut für Biochemie, leitet Tobias Erb das Netzwerk SynCell nExUs, das Forschungskooperationen in ganz Europa stärken soll. „Von der Kohlenstoffbindung bis zur Entwicklung innovativer Sensortechnologien eröffnet die Forschung an synthetischen Zellen vielversprechende Wege, um einige der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen", so Tobias Erb.
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie
Originalpublikation:
Jarman, O. D.; Bohra, N.; Claus, P.; Erb. T.J. : Improving cell-free metabolism through direct integration of artificial respiratory chains, Proceedings of the National Academy of Sciences 123 (27) e2613483123 (2026), https://doi.org/10.1073/pnas.2613483123
