Folge 361 – Künstliche Zellen

wie konnte auf der erde vor milliarden von jahren erstmals leben entstehen und wie geht

How could life first emerge on Earth billions of years ago and how does it continue?

aus dem komplexen zusammenspiel von molekülen das leben hervor fragen wie diese geben forschenden

From the complex interplay of molecules, life emerges; questions like these provoke researchers.

immer noch rätsel auf das liegt unter anderem daran dass selbst das kleinste lebende system

still a mystery, partly because even the smallest living system

eine einzelne zelle extrem komplex ist wenn man wirklich verstehen will was sind eigentlich die

a single cell is extremely complex when you really want to understand what they actually are

fundamentalprozesse in der lebenden zelle dann geht es nicht anders als dass man versucht das

Fundamental processes in the living cell, then there is no other way but to try to...

system zu vereinfachen sagt petra schwille vom max planck institut für biochemie wie

To simplify the system, says Petra Schwille from the Max Planck Institute for Biochemistry, how

forschende versuchen ein möglichst einfaches lebendes system zu bauen und welche erfolge sie

Researchers are trying to build a living system as simple as possible and what successes they have achieved.

dabei bislang erzielt haben hören sie jetzt in einem beitrag von denise müller doom und jens kube

What has been achieved so far, you will now hear in a contribution from Denise Müller Doom and Jens Kube.

seit ungefähr 3,5 milliarden jahren gibt es leben auf der erde wo es begann ist noch nicht

Life has existed on Earth for about 3.5 billion years; where it began is still unknown.

abschließend geklärt möglicherweise haben sich die ersten lebenden organismen in vulkanen oder

conclusively clarified that the first living organisms may have emerged in volcanoes or

oder in heißen Quellen in der Tiefsee gebildet.

or formed in hot springs in the deep sea.

Zur Debatte steht auch, ob das notwendige Material aus dem Weltall

The debate also revolves around whether the necessary material should be sourced from outer space.

über Asteroiden auf die Erde gelangt sein könnte.

could have arrived on Earth via asteroids.

Die Frage, wie das Leben aus unbelebter Materie entstanden ist,

The question of how life arose from inorganic matter,

ist noch nicht geklärt und beschäftigt die Biologie und die Chemie.

is still not clarified and occupies biology and chemistry.

Doch auch mithilfe der Physik lässt sich der Ursprung des Lebens untersuchen.

However, the origin of life can also be investigated with the help of physics.

Wir sind gar nicht so sehr an der historischen Frage interessiert,

We are not really that interested in the historical question,

wie es denn wirklich entstanden ist oder welchen Bedingungen es wirklich entstanden ist.

how it really came about or under what conditions it really came about.

Denn ich denke schon, dass das eine Frage ist, die am besten bei den Chemikern aufgehoben ist.

Because I do think that this is a question best suited for the chemists.

Wir sind interessiert daran, die Prozesse zu verstehen, die das Leben ausmachen.

We are interested in understanding the processes that make up life.

Ich bin persönlich überzeugt davon, dass das Leben gar nicht so sehr von seinen Bausteinen abhängt,

I am personally convinced that life does not depend so much on its building blocks,

sondern mehr von den Prozessen, die diese Bausteine miteinander eingehen.

but more about the processes that these building blocks engage in with each other.

Sagt Petra Schwert.

Says Petra Schwert.

Petra Schwert, Direktorin am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München.

Petra Schwert, director at the Max Planck Institute for Biochemistry in Martinsried near Munich.

Um diese Prozesse zu untersuchen, bietet es sich an, das kleinste bekannte System zu betrachten,

To investigate these processes, it is advisable to consider the smallest known system,

das die Kriterien für Leben erfüllt.

that meets the criteria for life.

Die Zelle.

The cell.

Es gibt natürlich ganz klare Kriterien, was Leben ausmacht.

There are, of course, very clear criteria that define what life is.

Zum Beispiel, dass es einen Stoffwechsel hat, dass permanente Moleküle ausgetauscht werden.

For example, that it has a metabolism, that permanent molecules are exchanged.

Also immer wieder neue gegen alte.

So always new against old.

Und dass es Informationen gibt.

And that there is information.

Einheit hat, dass es sich vervielfältigt.

Unity has the property that it multiplies itself.

Leben ist in der Lage, immer wieder neues Leben hervorzubringen.

Life is capable of continually bringing forth new life.

Alle Zellen bestehen aus einer Hülle, der Zellmembran und der genetischen Information,

All cells consist of a shell, the cell membrane, and genetic information.

die in der DNA und in der RNA festgeschrieben ist.

that is recorded in the DNA and in the RNA.

Die Zellmembran schirmt das Innere der Zelle von der Umgebung ab und ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig.

The cell membrane shields the interior of the cell from the environment and is only permeable to certain substances.

Neben der DNA und der RNA befinden sich innerhalb der Membran noch tausende Arten weiterer,

In addition to DNA and RNA, there are thousands of other types located within the membrane.

Bio-Moleküle, die Reaktionen und damit den Stoffwechsel ermöglichen.

Biomolecules that enable reactions and thus metabolism.

Außerdem können sich Bio-Moleküle in einer Zelle zu größeren Strukturen zusammenschließen.

In addition, bio-molecules in a cell can combine to form larger structures.

Das heißt, irgendwie sind diese Moleküle, die in unseren Zellen drin sind, in der Lage, sich zu organisieren.

That means, somehow these molecules that are inside our cells are able to organize themselves.

Zu sagen, wir gehen alle nach vorne oder nach hinten, an die Oberseite der Zelle, an die Unterseite der Zelle.

To say, we all go to the front or to the back, to the top of the cell, to the bottom of the cell.

Und diese Muster bringen dann wieder andere Muster hervor.

And these patterns then give rise to other patterns.

Und das ist das, was das Leben antreibt.

And that is what drives life.

In den vergangenen Jahrzehnten konnte die Forschung viele dieser Abläufe entschlüsseln.

In recent decades, research has been able to decipher many of these processes.

Wie allerdings alle Prozesse im Detail ablaufen und welches Molekül für welche Funktion verantwortlich ist,

However, how all processes unfold in detail and which molecule is responsible for which function,

ist für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch immer schwer zu durchschauen.

is still difficult for scientists to comprehend.

Also das ist alles so miteinander verwoben und so abhängig voneinander,

So everything is so intertwined and so dependent on each other,

dass man wirklich nicht sagen kann, das macht jetzt immer nur das, sondern die sind alle miteinander zu Werke.

That one really can't say, this one is always doing that, but they are all working together.

Auch mit präzisen Methoden.

Also with precise methods.

Mit präzisen Methoden gelingt es nicht, das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Zellkomponenten zu entschlüsseln.

With precise methods, it is not possible to decipher the complex interplay of the various cell components.

Nur an einem möglichst einfachen System lässt sich herausfinden, was die fundamentalen Prozesse des Lebens sind.

Only a relatively simple system can reveal what the fundamental processes of life are.

In der Natur sucht man so ein einfaches System allerdings vergeblich.

In nature, however, one searches in vain for such a simple system.

Wenn Sie den kleinsten Mikroorganismus nehmen, der bekannt ist, dann hat der immer noch tausend Gene.

If you take the smallest microorganism known, it still has a thousand genes.

Tausend Gene sind ja nur die Proteine, noch gar nicht mal die Rede von all den anderen Molekülen, die da drin sind.

A thousand genes are just the proteins, not to mention all the other molecules that are in there.

Das heißt, von einfachen Systemen.

That means, from simple systems.

Einfach kann da die Rede nicht sein.

It can't be a simple matter.

Daher sind Forschende dazu übergegangen, selbst solche Systeme zu bauen.

Therefore, researchers have begun to build such systems themselves.

Im Forschungsgebiet der synthetischen Biologie wird versucht,

In the research field of synthetic biology, attempts are being made to

möglichst einfache zellähnliche Strukturen herzustellen und diese dann genau zu untersuchen.

to create simple cell-like structures as much as possible and then to study them in detail.

Man unterscheidet dabei zwei Herangehensweisen.

Two approaches are distinguished in this regard.

Beim sogenannten Top-Down-Ansatz werden natürliche Zellen durch Genmanipulation verändert.

In the so-called top-down approach, natural cells are altered through genetic manipulation.

Nach und nach entziehen Forschende ihnen so Bestandteile,

Gradually, researchers are removing components from them,

in welche mindestens vorhanden sein müssen, damit die Zelle noch grundlegend funktioniert.

that must be present at a minimum for the cell to function fundamentally.

Auf diese Weise gelang es vor einigen Jahren,

This way, a few years ago, it was possible to

eine lebende Minimalzelle mit immerhin nur knapp 500 Gen herzustellen.

to create a living minimal cell with only about 500 genes.

Das funktioniert alles noch irgendwie,

It all still works somehow,

aber die teilen sich mit einer ganz anderen, viel, viel geringeren Rate als die eigentlichen Zellen.

But they divide at a completely different, much, much lower rate than the actual cells.

Das heißt, da sieht man es eigentlich sehr klar,

That means you can see it quite clearly there.

dass das, was wir im Labor schaffen, kann nicht mithalten mit dem, was die Natur geschaffen hat.

that what we create in the lab cannot compete with what nature has created.

Der Botaniker.

The botanist.

Der Bottom-up-Ansatz startet hingegen bei den einzelnen Bausteinen.

The bottom-up approach, on the other hand, starts with the individual components.

Hier sollen nicht lebende molekulare Bestandteile so kombiniert werden,

Here, non-living molecular components are to be combined in such a way that

dass sie ein minimales, lebendes System bilden,

that they form a minimal, living system,

wie es am Beginn des irdischen Lebens einmal existiert haben könnte.

as it might have existed at the beginning of earthly life.

Es gab einmal vor langer, langer Zeit eine Zelle,

Once upon a time, a long, long time ago, there was a cell,

die war sehr viel einfacher als die, die wir heute vorfinden.

It was much simpler than the one we find today.

Das ist logisch, dass es so ist, weil seit dieser Zeit,

It's logical that it is this way, because since that time,

seit der Revolution, dafür gesorgt hat, dass die Komplexität immer weiter zugenommen hat.

since the revolution, has ensured that the complexity has continued to increase.

Und die Zellen gibt es nicht mehr, die finden wir auch nicht als fossile Abdrücke.

And the cells no longer exist, we also do not find them as fossil imprints.

Also müssen wir uns überlegen, wie wir die sozusagen neu zusammenbauen könnten im Labor.

So we need to consider how we could essentially reassemble them in the lab.

Um eine minimale Zelle zu bauen, benutzen die Forscherinnen und Forscher sogenannte Vesikel,

To build a minimal cell, the researchers use what are called vesicles,

seifenblasenartige Hüllen von einigen Mikrometern Größe,

soap bubble-like shells of a few micrometers in size,

die ähnlich aufgebaut sind wie die Zellmembran.

that are similarly structured to the cell membrane.

Für solch ein Vesikel werden dann Proteine, so wie der Energieträger ATP, gegeben,

For such a vesicle, proteins as well as the energy carrier ATP are then provided.

indem natürliche Zellen ihre Energie speichern.

by storing their energy in natural cells.

Das heißt, wir versuchen herauszufinden, was muss man denn als Moleküle da innen reinbringen in diese Membranblasen,

That means we are trying to figure out what molecules need to be brought inside these membrane vesicles.

damit das, was da innen drin ist, sich erst einmal selber organisiert, also Muster bildet.

so that what is inside first organizes itself, forming patterns.

Aktuell untersucht Schwilles Team ein System, das nur drei Sorten von Proteinen enthält.

Currently, Schwille's team is investigating a system that contains only three types of proteins.

Das Ziel?

The goal?

Es soll sich teilen.

It should share.

In der Natur gelingt dies beispielsweise durch sogenannte Strukturproteine,

In nature, this is achieved through so-called structural proteins,

die sich in der Mitte der Zelle versammeln und dort einen Ring bilden,

that gather in the middle of the cell and form a ring there,

der sich dann immer weiter zusammenzieht, bis die Zelle sich teilt.

that continues to contract until the cell divides.

Und auch bei den künstlichen Zellen gelingt dies teilweise schon, wie die Untersuchungen zeigen.

And this is already partly successful with artificial cells, as the studies show.

Also die Musterbildung, die Positionierung, die Selbstorganisation passiert sehr schön.

So the pattern formation, the positioning, the self-organization happens very beautifully.

Auch die Zusammenlagerung in diese sogenannten Filamente, von denen wir hoffen,

Also the aggregation into these so-called filaments, which we hope for,

dass sie irgendwann anfangen, sich zu kontrahieren.

that they will eventually start to contract.

Auch das gelingt.

That works too.

Mit der Kontraktion, da sind wir noch nicht richtig weitergekommen.

We haven't really made any progress with the contraction.

Zwar können die Filamente sich schon etwas zusammenziehen,

Although the filaments can already contract somewhat,

aber nicht ausreichend, um das Vesikel vollständig zu teilen.

but not enough to completely divide the vesicle.

Petra Schwille ist aber optimistisch, dass dies bald gelingen wird.

Petra Schwille is optimistic that this will succeed soon.

Also ich denke schon, das erste sich teilende System, das auf diese Art und Weise funktioniert,

Well, I do think that the first self-replicating system that works in this way,

wie ich mir das vorstelle, das hoffe ich eigentlich schon,

how I imagine it, I actually hope so,

dass wir das in den nächsten fünf Jahren maximal zehn haben.

that we will have a maximum of ten in the next five years.

Aber das klebt ja dann noch nicht.

But that's not sticking yet.

Ein lebendes System muss nicht zwangsläufig aus Proteinen bestehen,

A living system does not necessarily have to consist of proteins,

so wie in Petras Schwilles Arbeit.

just like in Petra Schwille's work.

Einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellen die benötigten Strukturen künstlich her.

Some researchers artificially create the required structures.

Dafür nutzen sie DNA als Bausubstanz und bringen diese in verschiedene Formen.

They use DNA as a building material and shape it into various forms.

Auf diese Weise ist es bereits gelungen, einen Ring zu bauen,

In this way, it has already been possible to build a ring,

der sich ohne Energiezufuhr zusammenzieht und damit ein potenzieller Bestandteil synthetischer Zellen sein könnte.

that contracts without energy input and thus could be a potential component of synthetic cells.

Auch hier gilt aber, nur weil ein System sich teilen kann, lebt es noch nicht.

However, it also holds true here that just because a system can divide, it is not yet alive.

Es müsste dafür beispielsweise auch Erbinformationen enthalten

It should also contain genetic information, for example.

und zudem in der Lage sein, Proteine selbst herzustellen.

and also be capable of producing proteins themselves.

Das heißt, es gibt noch viele, viele Fragen, die offen sind.

That means there are still many, many questions that remain unanswered.

Und bis wir etwas haben, von dem wir denken, dass es tatsächlich ein minimales lebendes System ist,

And until we have something that we think is actually a minimal living system,

also da denke ich, sind wir eher in 20 bis 50 Jahre Fenster.

So I think we are more in a 20 to 50 year window.

Wobei, man kann das nie genau sagen.

However, you can never say it exactly.

Manchmal gehen Dinge ja wahnsinnig schnell.

Sometimes things happen incredibly fast.

Hätte die synthetische Biologie am Ende Erfolg beim Bau einer Zelle,

Would synthetic biology ultimately succeed in constructing a cell,

so könnte das tiefere Einsichten in die Entstehung von Leben geben.

This could provide deeper insights into the origin of life.

Wie gelingt der Übergang von unbelebter Materie zu einem lebenden System?

How does the transition from inanimate matter to a living system succeed?

Welche Bausteine sind unentbehrlich?

Which building blocks are indispensable?

Und ab wann kann ein lebendes System durch Evolution selbst neue Eigenschaften hervorbringen?

And when can a living system produce new characteristics through evolution?

Antworten auf diese Fragen dürften die Suche nach dem Ursprung des Lebens beflügen.

Answers to these questions are likely to inspire the search for the origin of life.

Außerdem könnten die erlangten Erkenntnisse möglicherweise Anwendungen hervorbringen,

Furthermore, the acquired insights could possibly lead to applications,

wie zum Beispiel neue Arten der regenerativen Energieerzeugung.

for example, new forms of renewable energy generation.

In der Materialforschung sind beispielsweise Werkstoffe vorstellbar,

In materials research, for example, materials can be envisioned,

die sich von allein regenerieren und an veränderte äußere Bedingungen anpassen.

that regenerate on their own and adapt to changed external conditions.

An der Schnittstelle zur Medizin wird erforscht, ob sich mit synthetischen Zellen

At the interface with medicine, research is being conducted on whether synthetic cells can.

bessere und nebenwirkungsärmere Therapien entwickeln lassen.

develop better and less side-effect-prone therapies.

Neben diesen hoffnungsvollen Aussichten, die viele Forschende hegen,

In addition to these hopeful prospects that many researchers have,

gibt es jedoch auch ethische Aspekte zu berücksichtigen.

However, there are also ethical aspects to consider.

Fast jede Kultur weist dem Leben einen Sonderstatus zu.

Almost every culture assigns a special status to life.

Und sobald man im Labor sowas herstellen kann,

And as soon as one can produce something like that in the lab,

würde dieser Sonderstatus natürlich ein bisschen infrage gestellt.

this special status would of course be called into question a bit.

Bis zur Erzeugung von Leben im Labor ist es noch weit.

There is still a long way to go until the generation of life in the laboratory.

Auf dem Weg dorthin dürften allerdings weitreichende Erkenntnisse über die Funktionsweise von Zellen,

On the way there, however, far-reaching insights into the functioning of cells are likely to be gained,

und den Ursprung des Lebens liegen.

and the origin of life lies.

Ein Beitrag von Denise Müller-Duhm und Jens Kube.

A contribution by Denise Müller-Duhm and Jens Kube.

Gesprochen von Elmar Börger.

Spoken by Elmar Börger.

Aufnahme, das Hörspielstudio Kreuzberg.

Recording, the radio play studio Kreuzberg.

Tonbearbeitung und Schnitt, Daniel Levy und John Arbinger.

Sound editing and cutting, Daniel Levy and John Arbinger.

Welt der Physik.

World of Physics.

Welt der Physik wird herausgegeben vom Bundesministerium für Biologie,

World of Physics is published by the Federal Ministry of Biology,

der Bundesministerium für Bildung und Forschung

the Federal Ministry of Education and Research

und von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

and from the German Physical Society.