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Künstliche Zellen nehmen
Gestalt an
Proteine für die medizinische Verwendung züchten
US-Forscher haben primitive bakterienähnliche Zellen
geschaffen. Diese synthetischen Zellen sind nicht wirklich am Leben,
denn sie können sich nicht replizieren oder entwickeln. Aber sie können
tagelang am laufenden Band Proteine produzieren, die zur
Medikamentenproduktion eingesetzt werden könnten. Vincent Noireaux und
Albert Libchaber von der Rockefeller Universität
http://www.rockefeller.edu/ru.home.php in New York ist es gelungen,
einen Teil der molekularen Maschinerie einer Zelle in einer künstlichen,
bakteriengroßen Membran zu verpacken. Diese Membran kann durchlöchert
werden, so dass Nährstoffe und energiereiche Moleküle aus der Umgebung
in die Zelle gelangen können.
Diese Protozellen enthalten die erforderliche Maschinerie um Proteine
aus ihren unverarbeiteten Bestandteilen, den Aminosäuren, zu generieren.
Damit könnten sie als Miniatur-Fabriken dienen, um Proteine für die
industrielle und medizinische Verwendung herzustellen. Solche Proteine,
beispielsweise Insulin, werden routinemäßig von genetisch erzeugten
Bakterien produziert. Künstliche Zellen wären viel einfachere
Protein-Fabriken. Fertige Mixturen der Biomoleküle, die eine Zelle für
die Proteinproduktion benötigt, sind im Handel erhältlich. Sie werden
von Bakterien wie Escherichia Coli extrahiert. Diese Mixturen können
spezifische Proteine erzeugen, aber sie arbeiten nur etwa zwei Stunden,
wenn sie nicht kontinuierlich mit Rohmaterialien versorgt und von
Abfallprodukten gereinigt werden.
Noireaux und Libchaber haben mikroskopische Tröpfchen des Zellenextrakts
mit Öl umgeben, um eine den natürlichen Zellen nachempfundene Zellwand
zu schaffen. Seifenähnliche Moleküle, die Phospholipide genannt werden,
umgeben die Oberfläche dieser Tröpfchen so wie emulgierende Wirkstoffe
die Tröpfchen in einem Salat-Dressing umhüllen und sie so vor einem
Verschmelzen bewahren. Dann umgaben die Forscher die Tröpfchen mit einer
zweiten Schicht von Phospholipiden. Um das Verhalten der Zellen zu
beobachten, integrierten die Wissenschaftler DNA, die ein
fluoreszierendes Protein kodiert. Wenn die Zellen dieses Protein
produzierten, begannen sie zu leuchten. Während dem herkömmlichen
Zellenextrakt nach zwei Stunden die Luft ausging, erhielt die
Membranhülle das System mehr als doppelt so lang "am Leben".
David Deamer, Chemiker an der Universität von Kalifornien
http://www.ucsc.edu/public/ in Santa Cruz, bezeichnete die Arbeit
als großen Schritt vorwärts. Noireaux und Libchaber arbeiten nun daran,
Moleküle an den Wänden der Protozellen anzubringen, die die Membranen
zusammendrücken, so dass sich die Zellen teilen, so wie Bakterien. Das
könnte der erste Schritt dabei sein, künstliche Zellen zu entwickeln,
die sich replizieren. |
Genom des Stickstoff-Bakteriums entschlüsselt
Suche nach Gentech-Pflanzen für stickstoffarme Böden beginnt
Wissenschaftler aus Deutschland, Belgien, Frankreich, Kanada und den USA
haben das Genom des Stickstoff-Bakteriums Sinorhizobium Meliloti
entschlüsselt. Durch die Entschlüsselung könnte eine Verbesserung des
Stickstoffgehalts von Böden ohne künstliche Düngung erreicht werden, heißt es
im amerikanischen Wissenschaftsmagazin "Science"
http://www.sciencemag.org
. Wie Alfred Pühler von der Universität Bielefeld
http://www.uni-bielefeld.de
gegenüber pressetext.deutschland sagte, habe die Sequenzierungsarbeit zwei
Jahre gedauert. Das Genom des Stickstoffbakteriums bestehe aus drei
Bestandteilen, so Pühler: einem Chromosom, dessen Entschlüsselung von der EU
gefördert wurde, und zwei Plasmiden, deren Sequenzierung zum einen an der
Stanford University
http://www.stanford.edu , zum zweiten in einer Kooperation deutscher und
kanadischer Forscher gelang.
http://sequence.toulouse.inra.fr/meliloti.html
Insgesamt setzt sich Genom des Bakteriums aus rund 6,7 Mio. Säurepaaren
zusammen. Das Bakterium wandelt das in der Atmosphäre vorkommende Gas
Stickstoff in Ammonium-Ionen um. Diese Form des Stickstoffs wird in die
Proteine der Pflanzen eingebaut und gelangt so in den Stoffkreislauf von
Tieren und Menschen. Eiweiße und DNA bestehen zum Teil aus Stickstoff.
Das Bakterium lebt in Symbiose mit Pflanzen, in deren Wurzeln es eindringt.
Die Bakterien versorgen die Pflanze mit Stickstoff. Dafür empfängt es von der
Pflanze Kohlenhydrate. Die Forscher wollen nun anhand des Genoms untersuchen,
wie besonders stickstoffhaltige Pflanzen wie Hülsenfrüchte mit dem Bakterium
zusammenleben. Da diese Pflanzen deshalb auch auf stickstoffarmen Böden
gedeihen, hoffen die Forscher jene genetischen Abschnitte an Hülsenfrüchten
ausfindig zu machen, die zu der Symbiose führen. Diese Abschnitte könnten dann
gentechnologisch in andere Pflanzen eingebracht werden, die dann ebenfalls in
der Lage wären, auf stickstoffarmen Böden zu wachsen.
Zukunftsvision: Bis 1.000 Jahre alt
werden
SENS-Projekt erlaubt Altern ohne Verfall
Bis an die 1.000 Jahre will der Genetiker Aubrey de
Grey den Menschen werden lassen. Altern ist nur ein physikalisches
Phänomen und diesem will der Forscher mit seinem Projekt SENS (Strategies
for Engineered Negligible Sensescence)
http://www.gen.cam.ac.uk/sens mit medizinischem Know-how
entgegenwirken, berichtet BBC-Online.
De Grey will alle Arten von molekularen und zellulären Störungen und
Fehlern, die sozusagen mit der Zeit kommen, reparieren. Jede Methode,
die dazu geeignet ist, das zu tun, funktioniert bereits, befindet sich
gerade in klinischen Tests oder basiert auf Technologien, die bereits
existieren, aber noch mit anderen kombiniert werden müssen. Das bedeutet
auch, dass das gesamte Lebensverlängerungsprojekt innerhalb der
kommenden zehn Jahre zuerst bei Mäusen funktionieren muss, ehe es dann
weitere zehn Jahre später beim Menschen angewendet werden kann.
Wenn diese Therapien wirken, werden Altersschwäche und Gebrechlichkeit
der Vergangenheit angehören, zeigt sich der Forscher überzeugt. Dass
damit das Leben unendlich lange dauert, das verspricht der Forscher aber
nicht, denn sowohl Unfälle als auch Schlangenbisse und neue
Influenza-Erreger werden uns auch dann noch das Leben verkürzen. Der
Forscher geht sogar davon aus, dass heute 60-Jährige die Ersten sein
werden, die 1.000 Jahre alt werden.
Der Wissenschaftler sieht das Altern als sehr komplexen Vorgang. "Es
gibt sieben Typen molekularer und zellulärer Zerstörung inklusive dem
Zellverlust ohne Ergänzung sowie Mutationen in den Chromosomen, die
tatsächlich zu umgehen sind", erklärt de Grey. Die meisten dieser
Schäden können bereits heute mit den gängigen Technologien oder mit
jenen, die gerade entwickelt werden, behoben werden.
"Die Lebenslänge wird wesentlich variabler werden und Gebrechlichkeit
wird sich nicht einstellen", so de Grey. Typische Alterserscheinungen
sollen der Vergangenheit angehören und Älter werden bedeutet dann nicht,
all jene Problemen zu haben, an denen ältere Menschen heute leiden. De
Grey, der das SENS-Projekt an der Cambridge University leitet, hält
derzeit auch den Methusalah Mouse Prize für die Lebensverlängerung von
Mäusen.
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Erstmals Proteintransport in Zellen nachgewiesen
Fluoreszierende Eiweiße machen Wechselwirkungen sichtbar
Erstmals ist es gelungen, den Transport von Eiweißen zwischen den
verschiedenen Bereichen innerhalb einer Zelle sichtbar zu machen. Die Proteine
werden dabei in Bläschen oder röhrenähnliche Strukturen sortiert, die das
Ziel des Transports bestimmen. Diesen Mechanismus konnten die Wissenschaftler
des Göttinger Max-Planck-Instituts http://www.mpibpc.gwdg.de/
und der Universität Cambridge http://www.cam.ac.uk/
nachweisen.
Untersucht wurde der Transport des so genannten KDEL-Rezeptors
"Erd2". "Besetzt man diesen Rezeptor, der sich normalerweise im
Golgi-Kompartiment http://www.cells.de/cellsger/medienarchiv/archiv/cd1golg.htm
aufhält, durch ein KDEL-Protein, so wird er rasch in Transport-Vesikel
umsortiert", erläutert Dr. Irina Majoul vom Max-Planck-Institut.
"Die Transport-Vesikel bringen den besetzten Rezeptor in ein anderes
Kompartiment, das endoplasmatische Retikulum http://www.cells.de/cellsger/medienarchiv/archiv/cd1er.htm
." Solche Sortier- und Transportvorgänge beruhen auf sehr fein
abgestimmten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Regulatorproteinen. Indem
die Wissenschaftler spezifische Fusionsgene herstellten, die in der Zelle
etwas veränderte Proteine erzeugen, konnten sie dieses Zusammenspiel sichtbar
machen: Die durch die Fusionsgene veränderten Proteine besaßen die Fähigkeit,
zu fluoreszieren.
"Man kann fluoreszierende Proteine mit unterschiedlichen spektralen
Eigenschaften verwenden und dabei den Charakter der leuchtenden Proteinanteile
in einer ganz bestimmten Weise wählen", so Majoul. "Die Fluoreszenz
eines Proteins, das kürzere Wellenlängen absorbiert, regt dann ein
Fluoreszenzprotein mit Absorption im langwelligen Bereich zum leuchten
an." Dieses Phänomen ist als Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET)
bekannt. Nachweisen lässt sich ein FRET-Phänomen aber nur, wenn beide
fluoreszierende Komponenten näher als sechs Nanometer (= sechs millionstel
Millimeter) beieinander liegen. Majoul: "Das Auftreten von FRET zwischen
zwei Fusionsproteinen kann daher als Hinweis auf eine Interaktion dieser
Proteine gewertet werden."
Um festzustellen, ob nach der Besetzung des KDEL-Rezeptors bestimmte
Proteine miteinander in Wechselwirkungen treten, boten die Wissenschaftler der
zu untersuchenden Zelle von außen ungiftig gemachtes Choleratoxin an.
Chloratoxin kann in gleicher Weise an den KDEL-Rezeptor binden wie zelleigene
KDEL-Proteine. "Bei lebenden Zellen, in denen verschiedene Paarungen von
fluoreszierenden Fusionsproteinen auftraten, ging die Besetzung des
KDEL-Rezeptors durch Choleratoxin bei bestimmten Paarungen mit zeitgleichen Änderungen
des FRET-Signals einher", erinnert sich Majoul. "Damit war bewiesen,
dass die Besetzung des Rezeptors zunächst mehrere Rezeptormoleküle
miteinander reagieren lässt (Oligomerisierung) und dass der besetzte,
oligomerisierte KDEL-Rezeptor anschließend mit bestimmten weiteren Proteinen
interagiert." Damit wird der so genannte "budding"-Komplex
eingeleitet. Dieser bewirkt Membranausstülpungen, aus denen letztlich
Transport-Vesikel und -Tubuli entstehen. Gleichzeitig wird der besetzte
KDEL-Rezeptor in die Membranausstülpungen einsortiert.
Darstellen konnten die Wissenschaftler ihre Entdeckung mit Hilfe der
Multifokalen Multiphoton-Mikroskopie (MMM). Bei dieser Methode wird die
Fluoreszenz nicht mit tiefblauem oder ultraviolettem Licht ausgelöst, sondern
im nahen Infrarot, das im allgemeinen für die Zelle verträglicher ist. Der
Farbstoff wird nicht mit einem, sondern mit zwei gleichzeitig absorbierten
Infrarot-Photonen angeregt (Multiphotonen-Absorption). Da dieser Prozess nur
bei ausreichender Photonendichte stattfindet, wird die Fluoreszenz nur in
einer relativ dünnen Schicht um die Fokalebene herum aktiviert. Das
verbessert die Lokalisation der fluoreszierenden Fusionsproteine in der Zelle
und erhöht die Messpräzision von FRET. Zudem besitzt MMM eine rotierende,
mit 30 Mikrolinsen versehene Scheibe, die den Laserstahl in 30 Teilstrahlen
aufteilt. So wird die auf die einzelnen Abschnitte der Zelle einstrahlende
Energie vermindert und gleichzeitig der Beobachtungsbereich in 20 bis 30 mal kürzerer
Zeit abgetastet. Dynamische Vorgänge in Zellen können damit auch über längere
Zeitabschnitte (ein bis drei Stunden) beobachtet werden.
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