Wie organisieren lebende Systeme ihre inneren Abläufe ohne zentrales Steuersystem? Ein Forschungsteam der Universität des Saarlandes, das vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden gekommen war, sowie der Universität Augsburg hat nun einen Mechanismus beschrieben, der dieser Frage näherkommt. In einem künstlichen, zellfreien System konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich sogenannte synthetische biomolekulare Kondensate selbstständig bilden und wieder auflösen. Gleichzeitig beeinflussen diese mikroskopischen Kompartimente aktiv die biochemischen Prozesse in ihrer Umgebung.
Biomolekulare Kondensate entstehen durch Phasentrennung: Was zuvor gleichmäßig im Zellinneren verteilt war, findet sich zusammen, ähnlich, wie Öl und Wasser sich voneinander trennen, wenn man sie zuvor gut vermischt hat. Bei dieser „Entmischung“ der Einzelteile lagern sich Proteine und RNA-Moleküle spontan zu Kompartimenten zusammen, ohne jedoch von einer Membran umschlossen zu sein, wie das bei anderen Zellbestandteilen der Fall ist. Solche membranlosen Strukturen kommen auch in lebenden Zellen vor. Erst in den vergangenen anderthalb Jahrzehnten wurde deutlich, dass viele dieser Strukturen keine starren Gebilde sind, sondern sich wie Flüssigkeitströpfchen verhalten.
Zu Anfang galten solche Ansammlungen von einzelnen Verbindungen und Molekülen aber lediglich als „Organisationszentren“ in Zellen, Einheiten, die dem Zellinneren räumliche Struktur verliehen. Inzwischen gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass diese Kondensate eine wesentlich bedeutendere Rolle spielen. Sie könnten Hinweise darauf liefern, wie frühe chemische Systeme vor der Entstehung erster Zellen ihre Reaktionen räumlich organisiert haben.
Auch die nun vorgelegte Studie untermauert die Annahme, dass die Funktion der Kompartimente weit über die bloße räumliche Ordnung hinausgeht. Das Team um Prof. Dr. Dora Tang konnte nachweisen, dass die Kondensate unmittelbar auf die Herstellung und den Abbau von RNA einwirken und dadurch die Dynamik der Kompartimente selbst mitbestimmen.
Im Zentrum der Untersuchungen stand die so genannte Messenger-RNA (mRNA), jener molekulare Botenstoff, der genetische Informationen transportiert. „Die Experimente zeigen, dass mRNA innerhalb der Kondensate deutlich langsamer abgebaut wird als außerhalb. Die Tröpfchen schaffen damit eine Art geschützte Mikroumgebung, in der die Moleküle länger erhalten bleiben. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer der mRNA, und die Konzentration des genetischen Materials im Gesamtsystem steigt“, sagt die Physikochemikerin, die sich auf die Erforschung solcher Kompartimente spezialisiert hat. Nach Ansicht der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind die Kondensate deshalb nicht nur Organisationsstrukturen, sondern zugleich eine Art „Schutzraum“ für empfindliche Biomoleküle.
„Besonders bemerkenswert ist die beobachtete Rückkopplung: Die Kondensate entstehen erst durch die Produktion von mRNA. Sobald sie sich gebildet haben, verändern sie die Geschwindigkeit, mit der die mRNA produziert und abgebaut werden kann. Die veränderte Balance zwischen Produktion und Abbau schützt diese mRNA vor dem Abbau“, führt Dora Tang weiter aus. Bei diesem selbstregulierenden Mechanismus sind Kompartimentierung, also die Zusammenballung einzelner Verbindungen zu Kondensaten, und biochemische Reaktionen, die zur Bildung der mRNA führen, untrennbar miteinander verknüpft. Die Tröpfchen verhalten sich damit nicht wie passive Behälter, sondern wie aktive Teile des molekularen Geschehens.
Theoretische Modelle deuten zudem darauf hin, dass solche Kondensate Schwankungen in biologischen Systemen abfedern können. „Wenn die Verfügbarkeit von Ressourcen für die RNA-Produktion periodisch verändert wurde, blieben die Konzentrationen der genetischen Botenstoffe in Gegenwart von Kondensaten stabiler als in vergleichbaren Systemen ohne Kompartimentbildung“, so Dora Tang. Die Kompartimente wirkten gewissermaßen als „molekulare Stoßdämpfer“, die starke Ausschläge reduzieren und damit für robustere Bedingungen sorgen. Die Kompartimente können also dazu beitragen, wichtige Moleküle länger verfügbar zu halten und Schwankungen abzufedern.
Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die grundlegenden Prinzipien biologischer Selbstorganisation. Sie könnten dazu beitragen, besser zu verstehen, welche Rolle membranlose Kompartimente in lebenden Zellen spielen und wie einfache chemische Systeme Eigenschaften entwickeln, die an Lebewesen erinnern. Darüber hinaus sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Anwendungsmöglichkeiten für die synthetische Biologie, in der künstliche, lebensähnliche Systeme gezielt aus chemischen Bausteinen konstruiert werden.
Universität des Saarlandes
Originalpublikation:
Archishman Ghosh, Advait Thatte, Surased Suraritdechachai, Roman Rattunde, Christoph A. Weber, T.-Y. Dora Tang, Transcription-driven phase separation of synthetic condensates enables self-organizing compartments and protective microenvironments, Cell Reports Physical Science, Volume 7, Issue 8, 2026, 103481, ISSN 2666-3864, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2026.103481
