Auf Licht reagierende Moleküle wurden in eine künstliche Zellmembran eingebracht, um die Durchlässigkeit der Zellwand von außen zu kontrollieren.

Bild: MPI-P

Prozesse im Mini-Reaktor Künstliche Zellen werden steuerbar

17.10.2022

Synthetisch hergestellte Zellen können gewisse Funktionen biologischer Zellen nachahmen. Im Labor helfen sie als „Mini-Reaktoren“ bereits heute bei chemischen Prozessen – allerdings wenig kontrollierbar. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung ist nun eine Methode entwickelt worden, um den Ablauf dieser Prozesse mit Licht zu steuern.

Die Prozesse, die in biologischen Zellen ablaufen, sind komplex. Chemische Reaktionen tragen zum Beispiel dazu bei, bestimmte vom Körper benötigte Stoffe herzustellen – sei es zur Energielieferung oder zur Abwehr von Krankheiten. Biologische Zellen regeln hierfür über ihre Hülle, die Zellmembran, welche Stoffe von der Zelle aufgenommen und welche wieder ausgeschieden werden.

Künstlich hergestellte Zellen mit einer Größe von circa 20 bis 50 Millionstel Metern (20 bis 50 µm) sind heute bereits in der Lage, solche Funktionen im Labor nachzubilden. In eine aus Polymeren hergestellte Hülle, dem sogenannten „Kompartment“, wird eine aktive Komponente verpackt, welche beispielsweise eine enzymatische Reaktion ermöglicht.

„Eine biologische Zelle kann sterben – mit künstlichen Zellen können wir Miniatur-Reaktoren bauen, die über eine viel größere Zeitspanne genutzt werden können“, erklärt Lucas Caire da Silva, der im Arbeitskreis von Katharina Landfester an diesen Zellen forscht. „Das Problem an diesen Mini-Reaktoren war jedoch bisher, dass wir nicht steuern konnten, ob ein Stoff in die Zelle eindringen kann. Allgemein sind die Hüllen dieser künstlichen Zellen schwer zu durchdringen.“

Zellhüllen durchlässig machen

Dies haben die Forschenden um da Silva und Landfester nun geändert: Sie haben spezielle, auf Licht reagierende Moleküle entwickelt, die sie in die Polymermembranen integriert haben, um damit Kanäle/Öffnungen zu erzeugen. Dadurch erhöht sich die Durchlässigkeit der Hülle, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt wird. Wird die Hülle dann wieder mit sichtbarem Licht bestrahlt, lässt sich dieser Prozess wieder umkehren. „Mit diesem Ansatz können wir genau steuern, wann eine Substanz in das Kompartment eintritt, sodass wir eine chemische Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort auslösen können“, sagt da Silva.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen, dass sie mit ihren Mini-Reaktoren in Zukunft Reaktionen, die eigentlich in biologischen Zellen ablaufen, auf einem Mikro-Maßstab steuern können. Sie sehen für diese Technologie viele Anwendungen, unter anderem in der Medizin.

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