Forschern der University of North Carolina in Chapel Hill ist es im Labor gelungen, mit programmierter DNA funktionelle künstliche Zellen zu konstruieren, die sich wie lebende verhalten. Das Freeman-Labor hat mithilfe eines neuen Ansatzes, der natürlich vorkommende Proteine umgeht, Zellen mit funktionellen Zytoskeletten entwickelt.
Ronit Freeman und ihr Team haben ihren Erfolg bei der Manipulation von DNA und Proteinen, den Grundbausteinen des Lebens, unter Beweis gestellt, um künstliche Zellen zu schaffen, die denen im menschlichen Körper sehr ähneln. Laut Freeman waren die synthetischen Zellen sogar bei einer Temperatur von 50 °C stabil. Dies eröffnet „die Möglichkeit, Zellen mit außergewöhnlichen Fähigkeiten in Umgebungen herzustellen, die normalerweise für menschliches Leben ungeeignet sind“.
Anstatt Materialien zu schaffen, die lange halten, Freeman sagt, dass ihre Materialien für eine Aufgabe erstellt werden – eine bestimmte Funktion erfüllen und dann geändert werden, um eine neue Funktion auszuführen. Diese Errungenschaft bietet bedeutende Aussichten für die Entwicklung der regenerativen Medizin, der Methoden zur Arzneimittelverabreichung und der Diagnosetechnologien. „Dank dieser Entdeckung können wir über technische Stoffe oder Stoffe nachdenken, die empfindlich auf Veränderungen in der Umgebung reagieren und sich dynamisch verhalten können“, sagt Freeman.
Zellen und Gewebe sind auf Proteine angewiesen, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen und lebenswichtige Strukturen aufzubauen. Eine dieser Strukturen, das Zytoskelett, dient als Gerüst für die Zelle und ermöglicht ihr eine ordnungsgemäße Funktion. Das Zytoskelett ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Zellform und die Erleichterung von Reaktionen auf die Umwelt. Das Team konstruierte künstliche Zellen mit funktionellen Zytoskeletten mithilfe eines neuartigen Ansatzes, der natürliche Proteine umgeht. Sie haben eine fortschrittliche Technologie namens programmierte Peptid-DNA-Technologie entwickelt. Diese Methode organisiert die Zusammenarbeit zwischen Peptiden, den Grundbausteinen von Proteinen, und verarbeitetem genetischem Material zum Aufbau des Zytoskeletts. Dadurch können diese manipulierten Zellen ihre Form anpassen und auf Umweltsignale reagieren, was das bemerkenswerte Potenzial der synthetischen Biologie demonstriert.
„DNA kommt normalerweise nicht im Zytoskelett vor. „Wir haben die DNA-Sequenz so umprogrammiert, dass sie als architektonisches Material fungiert und die Peptide zusammenhält“, sagte Freeman. „Sobald dieses programmierte Material in einen Wassertropfen gegeben wurde, nahmen die Strukturen Gestalt an.“
Diese beispiellose Fähigkeit, DNA zu programmieren, gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, auf bestimmte Zwecke zugeschnittene Zellen zu schaffen und sogar die Reaktion dieser Zellen auf äußere Belastungen zu regulieren. Obwohl den im Freeman Lab hergestellten synthetischen Zellen die Komplexität lebender Zellen fehlt, bieten sie ein gewisses Maß an Vorhersehbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Bedingungen wie extremen Temperaturen.
Anstatt sich auf die Herstellung langlebiger Materialien zu konzentrieren, betont Freeman die Anpassungsfähigkeit dieser Zellen – sie sind darauf ausgelegt, bestimmte Funktionen zu erfüllen und sich dann an neue Aufgaben anzupassen.
Durch den Einbau verschiedener Peptid- oder DNA-Konstrukte können diese Materialien maßgeschneidert werden, um Zellen in Geweben oder Geweben zu programmieren. Diese Vielseitigkeit eröffnet Möglichkeiten für die Integration mit anderen synthetischen Zelltechnologien und könnte Bereiche wie Biotechnologie und Medizin revolutionieren.
„Diese Forschung hilft uns zu verstehen, woraus das Leben besteht“, sagt Freeman. „Diese synthetische Zelltechnologie wird es uns nicht nur ermöglichen, das zu reproduzieren, was die Natur tut, sondern auch Materialien zu schaffen, die biologischen überlegen sind.“
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