Auf dem Weg zur künstlichen Pflanzenzelle

Zellwandimitat ermöglicht komplexe Strukturen

03.03.2020 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand. (Bildquelle: © iStock.com/NNehring)

Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand. (Bildquelle: © iStock.com/NNehring)

Pflanzenzellen benötigen für ihre strukturelle Integrität die Zellwand. Forscher haben nun eine Methode entwickelt, um künstliche Zellwände herzustellen. Die resultierenden Mikrokapseln sind wachstumsfähig und können Lipidstränge ausbilden – eine Grundlage, um hierarchische Strukturen nachzubilden.

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 zehn und hundert Mikrometer zu imitieren, bräuchte man Vesikel entsprechender Größe. Tatsächlich ist es in der Vergangenheit bereits gelungen, derartige Gigantische Unilamellare Phospholipidvesikel zu konstruieren. Jedoch erwiesen diese sich als zu zerbrechlich, um eine durchgängige und dichte Schicht aus CNFs darauf aufzutragen. Ein anderer Ansatz, kleine Vesikel als Wasser-in-Öl-Tröpfchen zu erzeugen und dann zu fusionieren, scheiterte ebenfalls: die CNFs, die dabei als Gerüst dienen sollen, sind nur in Wasser löslich. Sowieso ist es schwierig, CNFs überhaupt zu verarbeiten, da diese dazu neigen, sich in wässrigen Lösungen eng zu verflechten.

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 pflanzliche Phospholipide, 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.

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Große Erwartungen ruhen auf der Synthetischen Biologie: Künstliche Zellen könnten dazu dienen, natürliche Zusammenhänge an vereinfachten Modellen zu erforschen.

Große Erwartungen ruhen auf der Synthetischen Biologie: Künstliche Zellen könnten dazu dienen, natürliche Zusammenhänge an vereinfachten Modellen zu erforschen.

Bildquelle: © HermannSchachner / wikimedia.org / CC0

Allerdings erwiesen sich die Poren in der künstlichen Zellwand mit durchschnittlich 18 Nanometern als etwa fünfmal so groß wie in einer natürlichen Zellwand. Ob die Poren bereits bei der Zusammenlagerung der CNFs entstehen oder erst infolge der weiteren Herstellungsschritte, blieb unklar.

Lipidstränge für künstliche Plasmodesmata

Das Phasenverhalten des oleinsäurereichen Inneren der Mikrokapseln erzeugt einen ähnlichen Effekt wie der Turgor in natürlichen Pflanzenzellen, der die Membran an die Zellwand presst. Dieser Druck nach außen kann dazu genutzt werden, die Mikrokapseln auszudehnen.

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.


Quelle:
Paulraj, T. et al. (2020): Primary cell wall inspired micro containers as a step towards a synthetic plant cell. In: Nature Communications 11, 958, (19. Februar 2020), doi: 10.1038/s41467-020-14718-x.

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Titelbild: Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand. (Bildquelle: © iStock.com/NNehring)