Das Leben zu verstehen und seine Ursprünge zu finden, bleibt eines der großen Rätsel unserer Zeit. Einige Menschen suchen nach Antworten im Weltraum und verfolgen die Geschichte der Erde zurück, andere, wie Prof. Job Boekhoven, Professor für supramolekulare Chemie, und sein Team versuchen, Leben im Labor aus einfachen Molekülen mit Hilfe chemischer Reaktionen zu synthetisieren. 

Warum versuchen Wissenschaftler, Leben zu synthetisieren?

Die Verwendung verschiedener Lebensformen wie Hefestämme und Bakterien ist seit langem Teil unserer Lebensmittelproduktion, darunter auch traditionelle bayerische Produkte wie Brezeln und Bier. Heutzutage ist die genetische Veränderung solcher Lebensformen eine übliche Methode zur Herstellung lebensrettender Medikamente wie Antibiotika und Insulin aus Pilzen und Bakterien sowie nachhaltiger Biokraftstoffe aus Algen. Doch trotz einer Vielzahl von genetischen Werkzeugen sind wir immer noch auf hochspezialisierte Enzyme angewiesen, die in einem relativ engen Bereich von pH-Werten, Lösungsmitteln und Temperaturen arbeiten können. Mit synthetischem Leben könnten wir hingegen außerhalb des klassischen Arbeitsbereichs des Lebens arbeiten und damit möglicherweise die Biotechnologie, Medizin und Materialwissenschaften revolutionieren. So könnten wir uns eine Lebensform vorstellen, die in der Lage ist, Kunststoffe bei 250 °C in einem organischen Lösungsmittel in nützliche Monomere umzuwandeln, oder eine Lebensform, die PFAS abbauen kann, eine persistente „Ewigkeitschemikalie”, die derzeit unsere Böden und Oberflächengewässer kontaminiert. Dies sind nur einige Beispiele. Bevor wir jedoch auf den wissenschaftlichen Ansatz von Prof. Boekhoven und seinem Team eingehen, müssen synthetisches Leben und tatsächlich das Leben selbst klar definiert werden.

„So ist das Leben“ – ein bekannter Ausdruck, der täglich verwendet wird. Aber was genau ist Leben, wie definieren wir es, wie ist es entstanden und können wir es nachahmen?

Wie ist Leben aus nicht lebender Materie entstanden? Die Urknalltheorie erklärt, wie subatomare Teilchen und Atome entstanden sind. Anschließend entstanden vermutlich einfache organische Moleküle, sei es in den frühen Ozeanen der Erde, in der Atmosphäre oder in der Ursuppe, durch eine Reihe chemischer Reaktionen und Prozesse. Diese Moleküle replizierten sich dann und entwickelten sich durch natürliche (darwinistische) Selektion weiter, was schließlich zur Komplexität des Lebens führte. Das Leben entstand also nicht aus dem Nichts, aber was ist es, wann sprechen wir von (synthetischem) Leben?

Während des zweiwöchigen Workshops „Engineering Life“, der 2023 vom Origins Cluster organisiert wurde, diskutierten 57 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über 14 Ländern ausführlich nicht nur die technischen Herausforderungen der Synthese von Leben, sondern auch die sozialen und philosophischen Herausforderungen¹. Vier Kriterien wurden als grundlegende Voraussetzungen für Leben definiert: Selbstversorgung, Selbstreplikation, (zufällige) Mutation und unbegrenzte Verbesserung durch Selektion der Stärksten. Kennzeichen des Lebens sind Kompartimente, Wachstum und Entwicklung, Stoffwechsel, Fortpflanzung, Reaktion auf Reize und Anpassung durch Evolution. Nur wenn diese Kriterien vollständig erfüllt sind, sprechen wir von (synthetischem) Leben.

Das Boekhoven-Labor hat sich für einen sogenannten Bottom-up-Ansatz zur Erzeugung synthetischen Lebens entschieden, das heißt es beginnt mit wenigen (einfachen) Molekülen und baut mithilfe chemischer Reaktionen kontinuierlich die Komplexität seines Systems auf, um schließlich die oben genannten Kriterien zu erfüllen. Das von ihnen verwendete Modellsystem besteht aus Koazervaten, Flüssigkeitströpfchen mit hoher Dichte, die in einer verdünnten Phase dispergiert sind, ähnlich wie Öl- oder Gelatinetröpfchen, die in Wasser dispergiert sind. Diese Tröpfchen bilden sich spontan aus wässrigen Gemischen und sorgen trotz fehlender Membran für eine stabile Kompartimentierung. Ohne Membran können Reaktanten in diese Tröpfchen hinein- und herauswandern. Daher könnten die Tröpfchen als Protozellen fungieren und vermutlich widerspiegeln, was auf der frühen Erde stattfand. Diese Tröpfchen sind jedoch in der Regel im Gleichgewicht stabil, während Leben ständig Energie und Nährstoffe benötigt, um seinen Nichtgleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten. 

Um biologische Eigenschaften nachzuahmen, entwickelte das Prof. Boekhoven in seinem Labor daher brennstoffabhängige Tröpfchen². Unter Bedingungen, die normalerweise keine spontane Bildung von Koazervattröpfchen zulassen, wurde ein Brennstoff hinzugefügt, der eine chemische Reaktion auslöste, durch die wiederum entsprechende elektrostatische Veränderungen die Bildung von Tröpfchen induzierten. Wichtig ist, dass die Tröpfchen in Gegenwart von Brennstoff wachsen, ohne ihn jedoch zerfallen (sich auflösen). Darüber hinaus kann das System so eingestellt werden, dass große Tröpfchen fragmentieren und Nachkommen bilden, ähnlich wie bestimmte Bakterien Sporen bilden können. Die Nachkommen wiederum erben Material von ihren „Eltern“. Wenn Brennstoff in bestimmten Abständen (d. h. Hungerzyklen) zugeführt wird, lösen sich einige Tröpfchen auf, während andere bis zur nächsten Brennstoffzufuhr überleben.

Der nächste Schritt bestand darin, dem System eine Art genetische/vererbliche Komponente hinzuzufügen³. In lebenden Organismen wird eine sogenannte Genotyp-Phänotyp-Kopplung beobachtet, wobei der Genotyp die vollständige genetische Information des Organismus und der Phänotyp sein „Aussehen” oder seine beobachtbaren Merkmale und Funktionen darstellt. Eine spontane Mutation oder Veränderung der genetischen Information, die dem Überleben und/oder der Fortpflanzung des Organismus zugutekommt, führt zu einer positiven Selektion für Organismen mit dieser Mutation auf Kosten anderer ohne diese Mutation. Somit kommt es zur natürlichen Selektion oder zum „Überleben des Stärkeren“, wie es bereits 1869 in der fünften Auflage von „Über die Entstehung der Arten“ von Charles Darwin beschrieben wurde. 

Um diese Komponente den brennstoffabhängigen Tröpfchen oder synthetischen Zellen hinzuzufügen, wurde ein autokatalytischer Replikator verwendet³. Dabei handelt es sich nicht um ein Stück DNA oder RNA, sondern um eine chemische Reaktion, die in der Lage ist, ihre eigene Produktion aus Bausteinen zu katalysieren. Die Genauigkeit der autokatalytischen Reaktion wird durch die selektive Verwendung der richtigen Bausteine für ihre Produktion bestimmt. Ihre Experimente identifizierten einen autokatalytischen Replikator namens KR3 (= Genotyp), der von der Einkapselung in brennstoffabhängige Tröpfchen (synthetische Zellen) profitierte, da die spezifische Anreicherung der geeigneten Bausteine durch die Tröpfchen (d. h. differentielle Partitionierung) eine verringerte Fehlerrate bei gleichzeitig erhöhter KR3-Produktion sicherstellte. Umgekehrt wiesen Tröpfchen, die den Replikator-Genotyp enthielten, eine andere Morphologie auf, und ihre Lebensdauer (= Phänotyp) war um mehr als das Dreifache erhöht. Wichtig ist, dass diese wechselseitige Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp über mehrere Zyklen der Energiezufuhr und des Energiemangels hinweg aufrechterhalten wurde. Diese Experimente sind ein Beweis für die gegenseitige Unterstützung von Genotyp und Phänotyp und erfassen einen grundlegenden Aspekt des Lebens, bei dem ein Organismus auf einer sehr primitiven Ebene als Überlebensmaschine für seine Gene fungiert und deren fortgesetzte Replikation und Evolution sicherstellt. 

Die von Prof. Boekhoven in seinem Labor verwendeten Koazervat-Tröpfchen und Replikatoren sind noch weit davon entfernt, „in einer Blase zu leben” und darwinistische Evolution zu zeigen, aber sie bringen uns dem Verständnis der grundlegenden Prinzipien des Lebens einen Schritt näher. Zukünftige Experimente werden verbesserte molekulare Erkennungsmechanismen untersuchen, um die selektive Replikation zu verbessern und Aspekte wie synthetische Zellteilung und Stoffwechsel einzubeziehen. Letztendlich zielt Prof. Boekhovens Forschung nicht nur darauf ab, die Grenzen der Wissenschaft zu erforschen, sondern auch eine konkrete und nützliche Anwendung im realen Leben anzubieten. 

Publikationen

1. A roadmap toward the synthesis of life. Kriebisch, Christine M.E. et al. Chem, Volume 11, Issue 3, 102399 https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.102399

2. Toward synthetic life—Emergence, growth, creation of offspring, decay, and rescue of fuel-dependent synthetic cells Wenisch, Monika et al. Chem, Volume 11, Issue 9, 102578 https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102578

3. Primitive genotype-phenotype coupling in fuel-dependent synthetic cells with an autocatalyst. Soria-Carrera, Héctor et al. Chem, Volume 12, 102816 https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102816 

Weitere Informationen und Links

• Prof. Boekhoven: https://www.professoren.tum.de/en/boekhoven-job
• BoekhovenLab https://boekhovenlab.com
• Department of Bioscience der TUM School of Natural Sciences https://www.bio.nat.tum.de/en/bio/homepage/

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