Autonome Modulation der Translation in einer homeostatischen künstlichen Zelle
Biophysik
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Alle Moleküle, aus denen eine Zelle, z. B. eine Bakterie, besteht, werden selbst regeneriert. Das trennt sie von den Nährstoffen. Die Selbstregeneration ist die Wiederherstellung eines verlorenen Teils durch eine analoge und funktionelle Kopie. Sie ist eine grundlegende Eigenschaft von Organismen, denn sie bildet die Basis für Selbstreplikation und Homöostase. Diese Fähigkeit zur Selbsterhaltung fehlt noch immer in technisch hergestellten biomimetischen Systemen. Im Bereich der synthetischen Bottom-up-Biologie werden biomimetische Systeme aus Molekülen wie DNA, RNA und Proteinen konstruiert, um Eigenschaften von biologischen Systemen außerhalb von Zellen nachzubilden. So ist es zum Beispiel möglich mit ausschließlich aufgereinigten Komponenten, die Genexpression außerhalb von Zellen zu rekonstruieren. Die Liste der für die Genexpression erforderlichen Komponenten umfasst 36 Proteine, Ribosomen, Aminosäuren und tRNA und wird als PURE- System (Proteinsynthese mit rekombinanten Elementen) bezeichnet. Bevor die Selbstregeneration des PURE-Systems möglich ist, muss die Synthese und Funktionalität aller Komponenten überprüft werden. Wir haben 30 der 36 Proteine identifiziert, die direkt an der Proteinsynthese beteiligt sind, und versucht, ihre Synthese und Funktionalität im PURE-System nachzuweisen. Wir untersuchten die Expression von PURE-Proteinen in einer synthetischen Zelle, die in mikrometergroßen Kompartimenten auf einem Siliziumchip mit an der Oberfläche befestigten DNA-Molekülen realisiert ist. Wir haben einen Wiederherstellungs-Assay entwickelt, der durch die Wiederherstellung der Genexpression in Delta-Version vom PURE-System funktioniert. Eine Delta-Version fehlt eines der der 30 Proteine von Interesse. Durch Hinzufügen der DNA, die für dieses Protein kodiert, überwachen wir die Wiederherstellung der Genexpressionskapazitäten durch das frisch in vitro synthetisierte Protein. Auf diese Weise konnten wir zeigen, dass die an der Translation beteiligten Proteine in vitro synthetisiert werden können und funktionsfähig sind, womit die Grundlagen für ein sich selbst regenerierendes zellfreies Genexpressionssystem in einer synthetischen Zelle gelegt wurden.
