Künstliche Zellen zum Leben erwecken

Mai P. Tran hat einen Bauplan entwickelt, um synthetische Zellen lebendig zu machen. Die von ihr entwickelten RNA-Bausteine können sich selbstständig entfalten und zusammenschließen – und ihre jeweilige Funktion damit selbst entwickeln.

Es ist einer der größten Träume der Menschheit, selbst Leben erschaffen zu können. Mit der Entwicklung synthetischer Zellen hat die Wissenschaft hierzu bereits die Grundlage geliefert. Mai P. Tran ist diesem großen Ziel nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Statt wie üblich für die Herstellung synthetischer Zellen bestehende Organismen zu nutzen, also komplizierte Prozesse der Natur nachzubauen, hat die junge Forscherin einen Bauplan konzipiert, damit die künstliche Zelle ihre Funktion selbst entwickelt.

Hierzu hat Mai P. Tran in einer Art Modulsystem RNA-Bausteine konstruiert und diese so programmiert, dass sie sich von alleine zu einer stabilen, dreidimensionalen Struktur entfalten – in Anlehnung an ein Blatt Papier beim Origami. Diese RNA-Bausteine können sich durch die vorgegebenen Falt- und Verbindungsstellen selbstständig zusammenschließen zu mikrometerlangen, dreidimensionalen Nanoröhren.

Während für die Herstellung von Proteinen ein hochkomplexes System mit mehr als 150 Genen nötig ist, macht Mai P. Trans „RNA-Origami“ es möglich, mit einem einzigen, präzisen gestaltbaren Gen ein synthetisches System zu schaffen, in dem genetische Information gezielt in einen Phänotyp übersetzt werden kann – und das Prinzip evolutionärer Anpassung nachgebildet wird.

Mit diesem Ansatz eröffnen sich zum Beispiel für die Medizin völlig neue Wege für maßgeschneiderte Therapien, bei denen synthetische Zellen Wirkstoffe direkt im Körper produzieren oder gezielt an bestimmte Orte transportieren. Auch in der Biotechnologie könnten solche Systeme wie programmierbare „Mini-Fabriken“ dienen, um Moleküle effizient herzustellen, ohne die komplexe Maschinerie lebender Zellen zu benötigen. Damit ließen sich Prozesse verlässlicher kontrollieren und sie würden auch günstiger werden.

Winzige Bausteine:

11 x 5 Nanometer

Der RNA-Baustein hat eine Größe von 11 x 5 Nanometern, ist also rund 10.000 Mal kleiner als einmenschliches Haar. Aus ihm können durch Selbstorganisation Nanoröhren gebildet werden, die tausend Mal größer sind als die einzelnen Bausteine.

Die Forschung im Detail

Anstelle der gängigen proteinbasierten Systeme hat Mai P. Tran RNA-Origami-Nanotechnologie genutzt. Ausgangspunkt war dabei eine DNA-Matrize, die gezielt als ein einziges Gen entworfen wurde und die Information für die gewünschte RNA-Struktur trägt. Dieser Genotyp wird erst vor Ort transkribiert: Es entsteht eine einzelne RNA-Sequenz, die sich bereits während der Transkription ko-transkriptional in ihre programmierte dreidimensionale Struktur faltet. Danach organisieren sich die gefalteten RNA-Moleküle selbstständig zu mikroskopischen Nanoröhren, die an die Vesikelmembranen binden und durch ihr Wachstum gezielte Verformungen hervorrufen.

„Meine Forschung schlägt einen Paradigmenwechsel vor: eine Umgehung der Proteintranslation“, sagt die Wissenschaftlerin. Das RNA-Origami übernimmt in ihrem Ansatz die Rolle, die normalerweise Proteinen zukommt, und verbindet Informationsweitergabe mit Struktur und Funktionalität. Das eröffnet den Weg hin zu biologisch integrierten Systemen, die sich evolutionär weiterentwickeln können. Dazu müssen die synthetischen Zellen ihre eigene funktionelle Struktur – gewissermaßen ihre Hardware – aus einem intrinsischen Genom und verfügbaren Umweltressourcen selbst aufbauen. „Nur so“, sagt Mai P. Tran, „kann eine evolutionäre Anpassung durch natürliche Selektion ermöglicht werden.“

Falttechnik:

Origami

Beim japanischen Origami werden dreidimensionale Objekte aus einem Blatt ohne Schere oder Klebstoff allein durch Falten erschaffen. Bei RNA-Origami legt eine Art Faltplan die Reihenfolge der Bausteine im Erbgut (RNA) fest und bestimmt, welche Stellen nach der Faltung aneinanderhaften.

Zwischen digitalem Design und Laborarbeit

Um aus RNA winzige röhrenförmige Strukturen in synthetischen Zellen aufbauen zu können, haben Mai P. Tran und das Heidelberger Forschungsteam zunächst mithilfe von Computersoftware RNA-Strukturen entworfen und Sequenzen erzeugt, die sich voraussichtlich genau in diese Formen falten. Die RNA-Bausteine wurden dabei so gestaltet, dass sie wie kleine Steckverbindungen automatisch miteinander „klicken“.

Nach dieser Designphase wurden die RNA-Moleküle hergestellt und getestet, ob sie sich tatsächlich wie erwartet zusammensetzen. Dazu wurden in klassischer Laborarbeit mikroskopisch kleine Fettbläschen genutzt – sogenannte Giant Unilamellar Vesicles aus Lipiden. In Lösungen wurden diese Lipide dazu gebracht, sich selbstständig zu kugelförmigen Vesikeln zusammenzusetzen. „Anschließend ,beluden‘ wir diese künstlichen Vesikel mit den Molekülen, die nötig sind, um RNA herzustellen“, erklärt Mai P. Tran – also mit DNA-Vorlagen, Enzymen, Nukleotiden und weiteren biochemischen Komponenten. Die Vesikel funktionierten dadurch wie winzige Reaktionsräume, in denen dann aus der DNA neue RNA-Moleküle produziert werden konnten. „Die eigentliche Herausforderung bestand weniger darin, einzelne Moleküle selbst herzustellen, sondern darin, alle Komponenten so zu kombinieren, dass das Gesamtsystem funktioniert.“

Im Anschluss konnten die winzigen Strukturen mit Mikroskopie- und Nanoskopie-Techniken direkt sichtbar gemacht werden. Im letzten Schritt modellierte Mai P. Tran schließlich die vollständig zusammengesetzten Nanoröhren erneut am Computer. Dadurch konnte sie die experimentell beobachteten Strukturen mit den theoretischen Vorhersagen vergleichen und überprüfen, ob das Modell die tatsächliche Selbstorganisation der RNA korrekt beschreibt.

„Mai P. Trans Arbeit geht an die Grenzen des Beobachtbaren. Sie hat einen bisher nicht bekannten Mechanismus der Selbstorganisation entdeckt. Ihre Resultate können unmittelbar für das Engineering neuer Strukturen herangezogen werden.“

Engelbert Westkämper, Jurymitglied

Hochbegabte Schülerin – weitgereiste Studentin

Nachdem Mai P. Tran in Vietnam ein Gymnasium für Hochbegabte besucht hatte, ging sie zum Studium nach Toulouse. „Ich wollte ursprünglich Physik studieren und habe mich besonders für erneuerbare Energien und technische Lösungen interessiert“, erzählt sie, „mit der Zeit hat mich jedoch immer mehr fasziniert, wie die Natur selbst Probleme löst.“ Deshalb hat sie den Bachelor in Lebenswissenschaften und den Master in Biotechnologie gemacht. Ein Austauschprogramm brachte sie in die USA an die University of North Carolina at Chapel Hill.

Für ihre Doktorarbeit kam Mai P. Tran nach Heidelberg ans Zentrum für Molekulare Biologie der Universität – in die Arbeitsgruppe der Biophysikerin und Molekularbiologin Kerstin Göpfrich. Bei der Dissertation trieb sie vor allem das Interesse an, lebende Systeme aus nicht lebenden Molekülen aufzubauen. „Das ist ein sehr ambitioniertes wissenschaftliches Ziel, das es uns ermöglicht, grundlegende Fragen über das Leben selbst zu untersuchen“, sagt sie.

Im Moment arbeitet die 28-jährige Postdoktorandin in der Arbeitsgruppe von Prof. Peer Fischer am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg. Dort beschäftigt sie sich mit anwendungsorientierten Technologien für den Gentransfer und die Nanofabrikation unter Verwendung von programmierbarer Nukleinsäure-Nanotechnologie.

„Mit der Zeit hat mich immer mehr fasziniert, wie die Natur selbst Probleme löst – insbesondere im Bereich biomimetischer Systeme. Diese Neugier hat mich zu den Life Sciences geführt.“

Mai P. Tran

3 Fragen an Mai P. Tran …

Wie könnte Ihre Forschung in die Praxis kommen?
Derzeit handelt es sich vor allem um Grundlagenforschung. Der nächste Schritt wäre, die Systeme robuster, kontrollierbarer und funktionaler zu machen. Um sie langfristig etwa in der Medizin zu nutzen – als intelligente Therapeutika oder Biosensoren –, wären umfangreiche Sicherheitstests und deutlich stärker problemorientierte Entwicklungen nötig. Das ist auch einer der Gründe, warum ich ein Postdoc in einem stärker anwendungsorientierten Bereich mache. Ich wollte besser verstehen, wo die Hürden liegen, die verhindern, dass Grundlagenforschung umgesetzt wird, um reale Probleme praktisch zu lösen.

Was wünschen Sie sich für Ihre berufliche Zukunft?
Ich möchte auf jeden Fall in der Forschung bleiben und würde langfristig gern Professorin werden. Nach meinen bisherigen Erfahrungen reizt mich besonders die Freiheit, eigene wissenschaftliche Fragestellungen zu verfolgen. Gleichzeitig macht mir auch die Arbeit mit Studierenden und jüngeren Forschenden Freude.

Was ist Ihr Antrieb?
Vor dem Hintergrund meiner sozialen Herkunft war die Hochschulbildung zunächst mein Weg zu einem besseren Leben. Die Forschung war dabei ein zentraler Bestandteil dieses Weges. Ich habe mich ursprünglich für eine akademische Laufbahn entschieden, weil sie mir Türen geöffnet und Möglichkeiten geschaffen hat, die ich sonst nicht gehabt hätte. Mit der Zeit habe ich mich jedoch bewusst entschieden, in der Forschung zu bleiben, weil sie mir ein starkes Gefühl von Erfüllung und Sinn vermittelt hat.

Heidelberg und die Welt

Dass Mai P. Trans Wahl auf Heidelberg fiel, lag daran, dass sie dort das passende Umfeld für ihr Forschungsthema fand. „Im Nachhinein habe ich gemerkt, dass ich damit wirklich einen Glücksgriff gemacht habe“, erzählt sie. Die Vielfalt wie auch die Forschungsinfrastruktur sei ideal gewesen – und obendrein gut erreichbar. Sie ist in der Großstadt aufgewachsen – und genießt die Ruhe in Heidelberg genauso wie die Internationalität der Stadt. „Insgesamt fühle ich mich hier wirklich sehr wohl“, sagt sie.

Trotzdem ist sie offen bezüglich künftiger Standorte. „Wissenschaft ist aus meiner Sicht etwas Internationales und kennt keine wirklichen Grenzen“, sagt sie. Dass sie verschiedene akademische Systeme kennenlernen konnte, hat großen Einfluss auf ihre wissenschaftliche Perspektive gehabt wie auch auf ihren eigenen Weg. So hat sie zum Beispiel in den USA viel gelernt, „gleichzeitig hat mir diese Erfahrung aber auch gezeigt, dass ich mich persönlich stärker zum europäischen Forschungssystem hingezogen fühle“ – auch wegen der Fördermittel für grenzüberschreitende Kooperationsprojekte. „Angesichts des aktuellen globalen politischen Klimas halte ich internationalen wissenschaftlichen Austausch für wichtiger denn je“, sagt sie und ist überzeugt, dass „Offenheit und Zusammenarbeit über Grenzen hinweg essenziell für den Fortschritt der Wissenschaft sind“.