Forscher haben eine neuartige Technik entwickelt, um empfindliche synthetische Genschaltkreise vor Störungen durch Zellwachstum zu schützen, einer häufigen Herausforderung in der Gentechnik. Der Ansatz nutzt einen natürlichen Prozess namens Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, um winzige, schützende Kompartimente innerhalb von Zellen zu schaffen, technische Modifikationen zu schützen und die konsistente Funktion synthetischer genetischer Programme sicherzustellen.
Das Problem: Verdünnung und Kreislaufversagen
Wenn Gentechniker synthetische Genschaltkreise entwerfen und zusammenbauen, um Zellen mit neuen Funktionen zu programmieren, entsteht ein kritisches Problem, wenn Zellen wachsen und sich teilen. Wichtige Signalmoleküle – wesentliche Bestandteile dieser Schaltkreise – können verdünnt werden, was zu Instabilität und letztendlich zum Scheitern der Syntheseprogramme führt. Diese Verdünnung verhindert, dass die Schaltkreise ihr programmiertes Verhalten beibehalten.
Eine von der Natur inspirierte Lösung
Xiaojun Tian, außerordentlicher Professor an der School of Biological and Health Systems Engineering der Arizona State University, und sein Team haben eine Lösung entwickelt, die die natürlichen Organisationsstrategien der Natur nachahmt. Indem sie Zellen so manipulieren, dass sie kleine, tröpfchenartige Kompartimente, sogenannte Transkriptionskondensate, um Schlüsselgene herum bilden, schützen sie diese Gene effektiv vor den störenden Auswirkungen des Zellwachstums.
Wie die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung funktioniert
Zellen nutzen auf natürliche Weise die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, um ihre innere Umgebung zu organisieren und so Kompartimente für wichtige biochemische Reaktionen zu schaffen, ohne dass Membranen erforderlich sind. Das Team erkannte das Potenzial, dieses Verfahren zum Schutz synthetischer Genschaltkreise zu nutzen. Diese mikroskopisch kleinen Tröpfchen fungieren als „sichere Zonen“ und verhindern, dass wichtige Moleküle beim Zellwachstum weggespült werden.
„Wenn wir versuchen, Zellen so zu programmieren, dass sie nützliche Aufgaben wie Diagnostik oder therapeutische Produktion ausführen, scheitern die genetischen Programme oft, weil das Zellwachstum die Schlüsselmoleküle verdünnt, die sie zum Funktionieren benötigen“, erklärt Tian. „Wir haben diese Herausforderung angegangen, indem wir die zelleigene Strategie der Phasentrennung genutzt haben, um technische Systeme zu schützen.“
Ein Wandel in den Ansätzen der synthetischen Biologie
Traditionell konzentrierte sich die synthetische Biologie auf die Manipulation von DNA-Sequenzen oder regulatorischen Rückkopplungsschleifen, um die Funktionalität technischer Systeme aufrechtzuerhalten. Tians Team hat ein anderes, physikalisch basiertes Designprinzip eingeführt, das mit der bestehenden Organisation von Molekülen innerhalb von Zellen funktioniert.
„Wir haben herausgefunden, dass wir durch die Bildung winziger Tröpfchen, sogenannte Transkriptionskondensate, um Gene herum genetische Programme schützen und sie stabil halten können, selbst wenn Zellen wachsen“, fügt Wenwei Zheng, Professorin für Chemie, hinzu. „Es handelt sich um eine einfache physikalische Lösung, die eine Verdünnung verhindert und den zuverlässigen Betrieb der Kreisläufe gewährleistet.“
Visueller Beweis: Tröpfchen in Aktion
Mikroskopische Bilder aus der Studie zeigen helle, leuchtende Cluster dieser Transkriptionskondensate im Inneren von Zellen und liefern den visuellen Beweis dafür, dass sich diese Tröpfchen genau dort bilden können, wo sie zur Stabilisierung der Genaktivität benötigt werden.
Kollaboratives Fachwissen treibt Innovation voran
Dieser Durchbruch ist das Ergebnis einer interdisziplinären Anstrengung, die sich auf das Fachwissen der synthetischen Biologie, Modellierung und Stoffwechseltechnik stützt. Das Projekt wurde von David Nielsen, einem Professor für Chemieingenieurwesen, vorangetrieben, der die praktischen Anwendungen dieser Entdeckung hervorhob: „Es ist spannend zu sehen, wie diese Tröpfchen zur Steigerung der Bioproduktionserträge verwendet werden können.“
Zukünftige Anwendungen und Potenziale
Forscher sehen großes Potenzial für diese Technik. Tians Gruppe arbeitet bereits daran, verschiedene Arten von Kondensaten zu entwickeln, um bestimmte Gene zu steuern und so sogenannte „intelligente Zellen“ zu schaffen, die sich anpassen und langfristig funktionieren können.
„Forscher in der synthetischen Biologie, die mit instabilen Schaltkreisen zu kämpfen haben, werden darin eine neue Möglichkeit sehen, ihre Systeme zuverlässiger zu machen“, sagt Zheng. „Auch Bioverfahrenstechniker, die eine konstante Ausbeute wünschen, können es nutzen. Für Biophysiker wie mich ist es spannend zu sehen, wie physikalische Prinzipien wie die Phasentrennung in praktische technische Werkzeuge umgesetzt werden.“
Diese Arbeit spiegelt einen bedeutenden Wandel in der synthetischen Biologie wider. Durch die Nutzung der natürlichen Organisationsprinzipien der Zelle können Forscher Systeme schaffen, die sowohl leistungsstark als auch von Natur aus stabil sind und so neue Wege für stabile Zellfabriken und zukünftige medizinische Anwendungen eröffnen. Die nächsten Schritte umfassen die Demonstration der Anwendungen der Technik in vielfältigeren Implementierungen, um die Belastbarkeit und Skalierbarkeit zu bewerten, obwohl das Potenzial für eine breitere Anwendung als hoch angesehen wird.
