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Auf dem Weg zur künstlichen Pflanzenzelle

Große Erwartungen ruhen auf der Synthetischen Biologie: Künstliche Zellen könnten dazu dienen, natürliche Zusammenhänge an vereinfachten Modellen zu erforschen. Sie könnten außerdem als optimierte Produktionsorganismen in der Biotechnologie fungieren. Bislang konzentrieren sich entsprechende Forschungsbemühungen auf prokaryotische und vereinzelt tierische Zellen. 

Pflanzliche Zellen spielten bislang keine Rolle. Das liegt vor allem daran, dass diese Zellen neben einer Membran auch über eine komplexe Zellwand verfügen, die nicht leicht nachzubilden ist. Jetzt hat ein internationales Forschungsteam mit deutscher Beteiligung einen wichtigen Fortschritt vermeldet.

Die Größe ist die Herausforderung 

Die Herausforderung beim Bau einer Pflanzenzelle besteht nicht so sehr in der Konstruktion einer biomimetischen Plasmamembran. Anspruchsvoll ist vielmehr die Herstellung einer durchgängigen Schicht cellulosebasierter Mikrofibrillen, die als Zellwand die Membran ergänzt. In der Natur dienen diese etwa vier Nanometer durchmessenden und wenige Mikrometer langen Fibrillen der mechanischen und strukturellen Integrität der Zellwand. Außerdem besteht die Zellwand aus Pektin, Hemicellulose und Strukturproteinen.

Grundsätzlich ist es möglich, diese Mikrofibrillen aus Pflanzen zu extrahieren. Sie werden dann als Cellulose-Nanofasern (CNF) bezeichnet und sind relativ lang und steif. Deshalb ist es bislang nicht gelungen, sie als Hülle auf Lipidvesikel zu montieren, deren Durchmesser weniger als ein Mikrometer beträgt. Um Pflanzenzellen mit Durchmessern zwischen 10 und 100 Mikrometern zu imitieren, bräuchte man Vesikel entsprechender Größe. 

Synthetische Zellen als Hilfsmittel der Forschung

Es gibt gute Gründe, sich trotz dieser Schwierigkeiten für künstliche Pflanzenzellen zu interessieren: Pflanzliche Zellen bilden sogenannte Plasmodesmata: Stränge, die zwei Zellen durch die Zellwand hindurch miteinander verbinden und so als Kommunikationskanal dienen. Synthetische Pflanzenzellen könnten somit als vereinfachtes Modell helfen, die Kommunikation der Zellen besser zu verstehen.

Die Wissenschaftler haben deshalb nicht aufgegeben und einen besonderen Trick genutzt. An der Grenzschicht zwischen wässriger und öliger Phase besitzen CNFs besondere kolloidale und physikochemische Eigenschaften. Diese können genutzt werden, damit sich die Nanocellulose selbstständig zu einer dichten Schicht an dieser Grenze zusammenfügt. 

Diese Nanocellulose-Schicht ergänzten die Forscher mit Pektin, Oleinsäure und pflanzlichen Phospholipiden, um Mikrokapseln zu erzeugen, deren Hülle die pflanzliche Zellwand imitiert. Diese Kapseln mit einem mittleren Durchmesser von 27 Mikrometern tauften die Wissenschaftler „Plantosome“. Sie besitzen eine Hülle aus CNFs in einer Pektinmatrix, gefolgt von einer dünnen Lipidschicht und mit großen Wassertropfen im Inneren.

Lipidstränge für künstliche Plasmodesmata

Indem die Forscher die Bedingungen bei der Erzeugung der Mikrokapseln optimierten, konnten sie zudem erreichen, dass sich das Innere der Kapseln mit einem lipidbasierten Milieu füllt, das sich durch die Poren in der Kapselwand als schlauchförmige Lipidstruktur ausweitet. Die Lipide übernehmen dabei außerdem die Funktion der Vakuolen, über die die Zelle normalerweise die Höhe des Turgordrucks steuert: Sie ermöglichen den Kapseln, sich auszuweiten und Wasser aufzunehmen. Dabei glättet und verdünnt sich die sonst buckelige künstliche Zellwand.

Die auf diese Weise von den Mikrokapseln gebildeten Lipidstränge sind eine Premiere bei künstlichen Pflanzenzellen. Sie könnten die Grundlage für die Herstellung künstlicher Plasmodesmata legen. Da diese maßgeblich sind für die interzelluläre Kommunikation, die pflanzliche Entwicklung im Allgemeinen sowie die Verteidigung gegen Pathogene, könnten solche künstlichen Zellen mit nachgebildeten Plasmodesmata neue Forschungsansätze ermöglichen. Das jetzt vorgestellte Verfahren ist ein Meilenstein auf dem Weg hin zu solchen Zellen und legt die Grundlage für komplexere künstliche Pflanzenzellmodelle.

Dies ist ein Auszug aus einem Beitrag auf der Plattform pflanzenforschung.de. Weitere Informationen unter Zellwandimitat ermöglicht komplexe Strukturen