Mehrzellige Systeme aus Zellen eines toten Organismus

Viele Wissenschaftler und Ingenieure sind an der synthetischen Biologie interessiert. Einige von ihnen entwerfen neue Arten von Zellen. Sie haben gezeigt, dass die Zellen verschiedener Organismen in biologische Roboter umgewandelt werden können¹. Sie stellen Anthroboter aus menschlichen Zellen her, die in der Lage sind, sich selbst zu kleinen, haarigen Strukturen zusammenzufügen, die sich selbständig bewegen können. Andere stellen Xenobots her, die aus bereits abgestorbenen Froschzellen gewonnen werden. Sie können viele Aufgaben erfüllen, die normalerweise lebenden Zellen vorbehalten sind, wie z. B. sich selbst zu replizieren. Beide Arten von Biobots halten nicht länger als 60 Tage. Sobald sie tot sind, werden sie sicher biologisch abgebaut. Es ist jedoch unklar, wie diese umgewandelten Zellen so lange leben können, nachdem ihr Mutterorganismus gestorben ist. Wir wissen auch nicht, inwieweit sie in der Lage sind, nach dem Tod neue Funktionen zu entwickeln.

Das mag beängstigend klingen, aber die medizinischen und therapeutischen Möglichkeiten, die sich aus der Erforschung dieser Fragen ergeben, könnten die Gesundheit und Langlebigkeit der Menschen wirklich verbessern. Aus den Zellen eines menschlichen Patienten geschaffene Anthroboter könnten so programmiert werden, dass sie geschädigte Zellen reparieren, Medikamente verabreichen und Krebszellen und Tumore entfernen^2-4. In den Körper injizierte künstliche Anthroboter könnten möglicherweise arterielle Plaque bei Arteriosklerosepatienten auflösen und überschüssigen Schleim bei Mukoviszidosepatienten entfernen. Forscher der Universität Tel Aviv in Israel haben Mikroroboter entwickelt, die einzelne Zellen scannen können, um festzustellen, ob sie gesund sind oder nicht. Diese winzigen Zellinspektoren können geeignete Zellen an einen anderen Ort im Körper transportieren.

Mit Hilfe von Elektrizität oder einem Magneten können sie Zellen an einen gewünschten Ort bringen, um sie anschließend genetisch zu analysieren. Dies macht sie zu einem potenziell bahnbrechenden neuen Instrument für die Diagnose von Krankheiten oder die Verabreichung von Medikamenten an einen bestimmten Ort. Inspiriert wurden sie bei der Entwicklung der Mikroroboter durch die natürlichen Funktionen anderer Zellen in unserem Körper. Die winzigen Roboter können dazu verwendet werden, Krebszellen zu selektieren und sie zu transportieren. Dies ermöglicht es Ärzten, Proben oder Biopsien für die medizinische Diagnose zu entnehmen. Die Mikroroboter können zwischen gesunden und absterbenden Zellen unterscheiden und einzelne Blut- und Krebszellen innerhalb einer einzigen Bakterie erfassen. Dadurch werden die Bereiche Hybridantrieb und Navigation durch elektrische und magnetische Mechanismen erheblich weiterentwickelt.

Darüber hinaus können diese Mikroroboter eine einzelne Zelle identifizieren und einfangen, um sie vor Ort zu untersuchen oder sie zu bergen und zu einem externen Instrument zu transportieren. Die Forscher versuchen auch, Mikroroboter zu entwickeln, die im Inneren des Körpers arbeiten können. Sie hoffen, dass sie als wirksame Arzneimittelträger eingesetzt werden können, die präzise zum Ziel geführt werden können. Dies kann unerwünschte Nebenwirkungen verhindern. Diese Forschung hat zu einem neuen Verständnis von Leben und Tod geführt. Wie bereits in dieser Zeitschrift beschrieben, besagt die autopoietische Theorie des Lebens, dass sich alle Lebensformen selbst herstellen ^5-6. Das heißt, Pflanzen, Tiere, Pilze und sogar einzelne Zellen haben eine Membran, Haut, Rinde oder eine andere Art von selektiver Barriere. Bei einzelnen tierischen Zellen werden die Zellmembran und fast alles im Inneren der Zelle ständig abgebaut und neu gebildet. Das Leben wird durch ein Netz von Produktionsprozessen aufrechterhalten, bei denen die Funktion fast jedes Bestandteils darin besteht, an der Produktion oder Umwandlung seiner selbst und der anderen Bestandteile des Netzes teilzunehmen.

Leben und Tod werden traditionell als Gegensätze betrachtet. Wenn eine Zelle oder ein Organismus stirbt, ist sie/er nicht mehr in der Lage, das autopoietische Netzwerk zu unterstützen, und stellt ihre/seine eigene Produktion ein. Stattdessen werden tote Zellen von anderen Zellen, wie z. B. Makrophagen, abgebaut. Die Entstehung neuer multizellulärer Lebensformen aus den Zellen eines toten Organismus in Labors stellt diese Dualität jedoch in Frage. Diese Biobots sind in der Lage, sich in Systeme zu verwandeln, die nach dem Tod neue Funktionen haben^7-8.

In gewisser Weise gibt es diese Dualität schon seit einiger Zeit nicht mehr. Wenn zum Beispiel nach dem Tod eines Menschen Organe gespendet werden, kann das Organ seine Funktion wieder aufnehmen, da die Zellen in ihm zu autopoietischen Systemen im neuen Wirt werden. Die Organspende zeigt, wie Organe, Gewebe und Zellen auch nach dem Tod eines Organismus weiter funktionieren können. Um diese Widerstandsfähigkeit besser zu verstehen, untersuchen die Forscher, was in einem Organismus nach seinem Tod geschieht. Einige Zellen können sich umwandeln, wenn sie mit Nährstoffen, Sauerstoff, Bioelektrizität oder biochemischen Reizen versorgt werden. Sie erwerben nach dem Tod neue Funktionen und Fähigkeiten. Während Raupen eine Metamorphose durchlaufen und sich in Schmetterlinge verwandeln, gibt es Organismen, die sich nur selten auf eine Weise verändern, die nicht vorherbestimmt ist.

Tumore, Orgonoide und Zelllinien (wie HeLa-Zellen) können sich in einer Petrischale unbegrenzt teilen, werden aber nicht als Teil des dritten Zustands betrachtet, da sie keine neuen Funktionen entwickeln. Forscher fanden jedoch heraus, dass sich Hautzellen, die aus verstorbenen Froschembryonen entnommen wurden, an die neuen Bedingungen in einer Petrischale im Labor anpassen und sich spontan zu mehrzelligen Organismen, so genannten Xenobots, umorganisieren konnten. Diese Organismen zeigten Verhaltensweisen, die weit über ihre ursprüngliche biologische Funktion hinausgehen. Sie nutzen ihre Flimmerhärchen (kleine, haarähnliche Strukturen), um sich in ihrer Umgebung zu orientieren und zu bewegen. Im Gegensatz dazu werden Flimmerhärchen normalerweise dazu verwendet, den Schleim lebender Froschembryonen zu bewegen. Xenobots sind auch in der Lage, ihre Struktur und Funktion zu replizieren, ohne zu wachsen. Dies unterscheidet sich von den üblichen Replikationsprozessen, die ein Wachstum im oder am Körper des Organismus erfordern.

Forscher haben auch herausgefunden, dass einzelne menschliche Lungenzellen sich selbst zu multizellulären Miniaturorganismen zusammensetzen können, die sich fortbewegen können. Diese Anthroboter haben neue, neuartige Eigenschaften. Sie sind nicht nur in der Lage, sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden, sondern auch sich selbst und verletzte Nervenzellen in ihrer Nähe zu reparieren. Dies zeigt die bemerkenswerte Plastizität zellulärer Systeme und stellt die Vorstellung in Frage, dass sich Zellen und Organismen nur auf vorbestimmte Weise weiterentwickeln können. Der dritte Zustand deutet darauf hin, dass der Tod von Organismen einen Einfluss darauf haben kann, wie sich das Leben im Laufe der Zeit verändert. Mehrere Faktoren beeinflussen die Fähigkeit von Zellen und Geweben, nach dem Tod eines Organismus zu überleben und zu funktionieren. Dazu gehören Umweltbedingungen, Stoffwechselaktivität und Konservierungstechniken. Verschiedene Zelltypen haben unterschiedliche Überlebenszeiten. Die weißen Blutkörperchen des Menschen sterben beispielsweise zwischen 60 und 86 Stunden nach dem Tod eines Menschen ab.

Die Stoffwechselaktivität beeinflusst das Überleben und die Funktion der Zellen. Stoffwechselaktive Zellen, die zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion eine kontinuierliche und umfangreiche Energiezufuhr benötigen, sind schwieriger zu kultivieren als Zellen mit geringerem Energiebedarf. Konservierungstechniken wie die Kryokonservierung können es ermöglichen, dass Gewebeproben wie Knochenmark ähnlich funktionieren wie lebende Spenderquellen. Auch inhärente Überlebensmechanismen spielen eine wichtige Rolle dabei, ob Zellen und Gewebe überleben können. So haben Forscher beispielsweise eine deutliche Zunahme der Aktivität von Genen beobachtet, die mit der Kontrolle von Stress und der Unterstützung des Immunsystems verbunden sind, nachdem ein Organismus gestorben ist. Weitere wichtige Faktoren sind Traumata, Infektionen und die Zeit, die seit dem Tod verstrichen ist, die die Lebensfähigkeit von Geweben und Zellen beeinflussen.

Darüber hinaus wirken sich Alter, Gesundheit, Geschlecht und Art des Lebewesens auf die Zellen nach dem Tod eines Organismus aus. So ist es beispielsweise sehr schwierig, stoffwechselaktive Inselzellen, die in der Bauchspeicheldrüse Insulin produzieren, zu züchten und von Spendern auf Empfänger zu verpflanzen. Die Forscher glauben, dass Autoimmunprozesse, hohe Energiekosten und der Abbau von Schutzmechanismen der Grund für viele Fehlschläge bei Inseltransplantationen sein könnten. Die Forscher versuchen herauszufinden, wie diese Variablen es bestimmten Zellen ermöglichen, nach dem Tod eines Organismus weiter zu funktionieren, was noch unklar ist. Eine Hypothese besagt, dass spezialisierte Kanäle und Pumpen, die in die Außenmembranen der Zellen eingebettet sind, sehr wichtig sind. Diese Kanäle und Pumpen erzeugen elektrische Signale, die es den Zellen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und bestimmte Funktionen wie Wachstum und Bewegung auszuführen. Dies wirkt sich auf die Struktur der Zellen aus, zu denen sie werden.

Unklar ist auch, inwieweit sich verschiedene Zelltypen nach dem Tod umwandeln können. Wir wissen bereits, dass Gene, die an Stress und Immunität beteiligt sind, nach dem Tod aktiviert werden, ebenso wie Veränderungen in der Epigenetik. Dies deutet darauf hin, dass es bei verschiedenen Zelltypen ein großes Potenzial für eine Transformation gibt. In jüngster Zeit machen sich Forscher Gedanken darüber, was es bedeutet, wenn man Zellen von Organismen entnimmt, die tot oder lebendig sein können, und sie in Zellen mit völlig neuen Funktionen verwandelt. Dies deutet nämlich auf einen dritten biologischen Zustand hin, der sich nicht in die Kategorien Leben und Tod einordnen lässt.

Der dritte Zustand stellt das zelluläre Verhalten der Wissenschaftler in Frage. Das heißt, Biobots können neue Funktionen entwickeln, die sie einzigartig machen. Das liegt daran, dass es nur wenige Fälle gibt, in denen sich Organismen auf eine Weise verändern, die nicht vorherbestimmt ist. Andere Verwandlungen, wie die einer Raupe, die sich in einen Schmetterling verwandelt, sind Teil eines vorbestimmten biologischen Weges. Auch Krebszellen sind davon ausgenommen, da sie ebenfalls keine neuen Funktionen aufweisen. Aber hier ist der Unterschied zu den Biobots. Obwohl die oben erwähnten Anthroboter beispielsweise aus menschlichen Lungenzellen stammen, waren sie irgendwie in der Lage, geschädigte Nervenzellen zu reparieren, die in einer Petrischale in der Nähe platziert waren, und sie waren in der Lage, sich mit Hilfe von sich windenden, haarähnlichen Fortsätzen, den so genannten Zilien, selbstständig dorthin zu bewegen.

Die Ameisenroboter wurden nicht dafür konstruiert oder programmiert, dies zu tun. Diese Eigenschaften ergaben sich von selbst. Auch die Xenobots wurden durch den Einsatz ihrer Flimmerhärchen mobil. Das ist neu, denn in den Froschzellen, von denen sie abstammen, dienen die Flimmerhärchen dazu, Schleim zu bewegen und nicht die Zellen selbst. Die Xenobots sind auch in der Lage, sich selbst zu reproduzieren, ohne zu wachsen oder sich zu reparieren. Dies zeigt, dass Zellen von Natur aus veränderbar sind, und stellt die Vorstellung in Frage, dass sich Zellen und Organismen nur auf vorbestimmte Weise weiterentwickeln können. Der dritte Zustand deutet darauf hin, dass der Tod eines Organismus eine wichtige Rolle dabei spielen könnte, wie sich das Leben im Laufe der Zeit verändert.

Ein besseres Verständnis der Art und Weise, wie einige Zellen nach dem Tod eines Organismus weiter funktionieren und sich in multizelluläre Einheiten verwandeln, könnte zu einer besseren personalisierten und präventiven Medizin beitragen.