Perfekte Kugelform

Wissenschaftler bauen künstliche Zell-Hülle

(Bild: APA/GEORG HOCHMUTH)

Jede menschliche Zelle wird von einer Membran umhüllt, die aus Lipiden besteht. Membrane erlauben den Austausch von Molekülen wie Proteinen, um die Kommunikation zwischen dem Zellinneren und der Außenwelt zu ermöglichen. Forschern aus den USA und Österreich ist es nun gelungen, solche künstlichen Zell-Hüllen vereinfacht nachzubauen, sie mithilfe von Düsen eines Tintenstrahldruckers zu füllen und auch den Stofftransport aus der Zelle heraus nachzuahmen.

Die Wissenschaftler, darunter die Österreicherin Eva Schmid, die an der University of California in Berkeley im US-Bundesstaat Kalifornien als Post-Doc arbeitet, und Sascha Martens von den Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien haben solche, bis zu 0,1 Millimeter großen Membranblasen - im Fachausdruck "Vesikel" genannt - hergestellt und die Ergebnisse in der Fachzeitschrift "PNAS" veröffentlicht.

"Das Fantastische dabei ist, dass sich die Lipide dabei durch ihre physikalischen Eigenschaften selbst in nahezu perfekter Kugelform anordnen", sagte Martens. Die Lipide ordnen sich dabei in zwei Lagen so an, dass an der nach innen weisenden Seite der Membran eine hydrophobe, also wasserabweisende Schicht entsteht, und außen eine hydrophile, also wasserliebende Schicht - exakt so, wie die Membranen menschlicher Zellen aufgebaut sind.

Tintenstrahldrucker schießt Proteine auf Membran
Die Forscher sind aber noch einen Schritt weiter gegangen: "Durch unsere interdisziplinäre Herangehensweise, bei der Biologen, Physiker und Ingenieure eng zusammenarbeiten, konnten wir uns die Technologie eines Tintenstrahldruckers zunutze machen und molekülgefüllte Membranblasen herstellen", so Schmid.

Dazu werden die Lipide zunächst flächig, quasi wie ein Vorhang aufgespannt. Dann werden Proteine über eine herkömmliche Düse eines Tintenstrahldruckers auf diese Membran geschossen. Ähnlich wie ein Vorhang beult sich die Lipidfläche dadurch aus, ein Teil knospt sich ab und umhüllt kugelförmig die Proteine. "Damit können wir nun nach Belieben solche 'künstlichen Zellen' bauen und verfügen dabei über eine gute Kontrolle ihres Inhalts und der Zusammensetzung der Hülle", so Schmid.

Funktionalität getestet
Um die Funktionalität des Systems zu testen, nahmen sich die Wissenschaftler die sogenannte "Exozytose" zum Vorbild. Bei diesem Vorgang werden Stoffe aus einer Zelle heraustransportiert. Dabei verschmelzen innerhalb der Zelle liegende Vesikel, die den zu transportierenden Stoff enthalten, mit der Zellmembran und geben dann die gespeicherten Stoffe frei.

In menschlichen Nervenzellen passiert das millionenfach jede Sekunde bei der Ausschüttung von Botenstoffen, den Neurotransmittern. Den Forschern ist es gelungen, diesen Prozess in vereinfachter Form mit den "künstlichen Zellen" nachzubauen.

Grundsätzlich sehen die Wissenschaftler diese Arbeit aus dem Bereich der Synthetischen Biologie als Grundlagenforschung. Aber natürlich denken sie auch über medizinische Anwendungen nach, etwa um Medikamente im Inneren solcher Hüllen gezielt an ihren Wirkungsort zu transportieren.