Aufbau von Stoffwechselnetzwerken außerhalb des Gleichgewichts in nano- und mikrometergroßen Vesikeln

Wir stellen ein Protokoll zur Rekonstitution von Membranproteinen und zur Verkapselung von Enzymen und anderen wasserlöslichen Komponenten in Lipidvesikeln von Submikrometer- und Mikrometergröße vor.

In den Niederlanden zielt das BaSyC-Konsortium darauf ab, synthetische Zellen aus molekularen Bausteinen zu konstruieren. Das BaSyC-Konsortium setzt sich aus Forschungsgruppen zusammen, die von der Molekularbiologie über Chemie und Physik bis hin zu Computational Sciences reichen. Das Ziel dieses Konsortiums ist es, ein sich selbst replizierendes System zu schaffen, das in der Lage ist, autonom zu wachsen, Informationen zu übertragen und zu teilen.

Und wir konzentrieren uns derzeit auf den Aufbau molekularer Netzwerke, die in komplexere molekulare Systeme integriert sind. Zu den jüngsten Entwicklungen in der synthetischen Biologie gehört die Entwicklung von Modulen für zelluläre Funktionen und deren Integration in komplexe Netzwerke für Anwendungen in der Diagnostik, Therapie, synthetischen Immunologie und adaptiven Materialien. Dieser Fortschritt erstreckt sich über Gruppen in Europa, Amerika und Asien und fördert sowohl Top-down- als auch Bottom-up-Ansätze für den Aufbau synthetischer Zellen.

Zu den aktuellen Technologien in unserem Bereich gehören die ingenieurwissenschaftlichen und evolutionären Methoden zum Aufbau und zur Optimierung von Stoffwechselnetzwerken. Wir nutzen KI für die molekulare Selektion und fortschrittliche biochemische und biophysikalische Techniken für die Isolierung von Komponenten und die Bildung von Netzwerken. Wir setzen auch Membranrekonstitution, physikalische Verkapselung und Visualisierung mittels Fluoreszenzspektroskopie und Mikroskopie ein.

Mit der Integration von Modulen steigt die Anzahl der Membranproteine und Enzyme enorm an, was unsere Rekonstitutions- und Verkapselungstechnologien vor Einschränkungen stellt. Die stochastische Verkapselung wird bei Vesikeln im Submikrometerbereich zu einem Problem, und die Effizienz der Bildung von mikrometergroßen Vesikeln nimmt ab, wenn mehrere Membranproteine in der Lipidmembran rekonstituiert werden. In Groningen haben wir metabolische Netzwerke für die ATP-Produktion und die Aufrechterhaltung eines außerhalben Gleichgewichtszustands durch Substratfütterung und Produktexport entwickelt.

Darüber hinaus haben wir das ATP-Recycling mit der Synthese und Ausscheidung von Lipidvorläufern verknüpft, wodurch sekundäre Vesikel in die Lage versetzt werden, Lipide zu produzieren, was einen bedeutenden Fortschritt in unserem Bereich darstellt.