K�nstliches LebenDOI: 10.1002/ange.200705538

Das Leben als ein nanoskaliges Ph�nomen**Stephen Mann*

AngewandteChemie

Stichw�rter:Membranen · Miniaturisierung ·Nanowissenschaften · Proteine ·Zellen

S. MannAufs�tze

5386 www.angewandte.de � 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2008, 120, 5386 – 5401

1. Einf�hrung – die Bedeutung der Nanowissen-schaften

Die Nanowissenschaften haben sich binnen einer Dekadeexponentiell entwickelt und wichtige Beitr�ge an denSchnittstellen zwischen der Chemie, der Physik, der Biome-dizin und den Analytikwissenschaften hervorgebracht. DieFrage scheint daher angebracht, warum dieses Gebiet soherausragt. Mittlerweile sind 20 Jahre seit der Entdeckungvergangen, dass bestimmte Halbleiter-[1,2] und Eisenoxidpar-tikel[3,4] mit Abmessungen von wenigen Nanometern deutlichandere elektronische und magnetische Eigenschaften zeigenals die entsprechenden makroskopischen Materialien. Esfolgten Entwicklungen in der Rastertunnelmikroskopie, diees erm2glichten, einzelne Atome auf Oberfl�chen zu plat-zieren, zu verschieben und zu Quantenstrukturen anzuord-nen,[5,6] sowie die Entdeckung der Kohlenstoffnanor2hren.[7]

Zusammengenommen verleihen diese wichtigen Fortschritteden Nanowissenschaften ihre Daseinsberechtigung, die nach:blicher Lesart darauf gr:ndet, dass die spezifischen Eigen-schaften strukturierter Materie ganz entscheidend von derr�umlichen Ausdehnung bestimmt werden. Bei vielen „na-noskaligen“ Erscheinungen ist nat:rlich die Gr2ße alleinnicht der alles entscheidende Parameter – allgemeiner be-trachtet ist es das Verh�ltnis von Oberfl�che zu Volumen, unddies hat zur Folge, dass Partikel mit konstantem Volumen undver�nderlicher Form in ihren Eigenschaften betr�chtlich va-riieren k2nnen. Dementsprechend wird best�ndig an derSynthese von st�bchenf2rmigen,[8] pl�ttchenf2rmigen[9] und„mehrbeinigen“ Nanopartikeln[10,11] mit hoher Formaniso-tropie gearbeitet. Auf �hnliche Weise sind sowohl die Struk-tur als auch die Gr2ße von entscheidender Bedeutung f:r diemetallischen/halbleitenden Eigenschaften von Kohlenstoff-nanor2hren.[12] Damit verwandt sind auch Themen wie dieVerringerung von Kristalldefekten, die D�mpfung von

Oberfl�chenrauigkeiten und die selektive Auspr�gung vonKristallfl�chen, die ebenfalls intensiv bearbeitet werden.[13–16]

Trotz allem bleibt aber festzuhalten, dass im Grunde nurwenige Materialien signifikante oder n:tzliche Eigenschafts-�nderungen als Funktion ihrer Abmessung zeigen – was indesnichts an der weitreichenden und vielseitigen Bedeutung derNanowissenschaften �ndert. Entscheidenden Antrieb erh�ltdas Gebiet aus der Tatsache, dass die wissenschaftlichen undtechnischen Fortschritte bei der Miniaturisierung und bei derStrukturvervielf�ltigung in der supramolekularen Chemie aufEntwicklungen der Nanowissenschaften fußen. Eine unmit-telbare Bedeutung der Miniaturisierung auf die Nanoskalaergibt sich f:r die Entwicklung von elektronischen Speicher-medien, Funktionsanzeigen und Rasterprotokollen, die Ver-einzelung von Molek:len und ihren Konjugaten und die In-tegration von Bauelementen. Kollektive Eigenschaften wieSuperhydrophobie,[17] plasmonische Kopplung[18] und dasmagnetische/elektronische Verhalten von Bauelementen[19,20]

k2nnen durch die Miniaturisierung von Strukturkomponen-ten und die Herstellung von Hbergittern moduliert werden.Mit Blick auf Bottom-up-Strategien stellt die F�higkeit,komplexe Nanoobjekte mit hybrider Struktur und Zusam-mensetzung herzustellen, eine wichtige Perspektive in derChemie organisierter Materie dar.[21]

Die enorme Spannbreite der oben angesprochenenThemen macht deutlich, wie sehr sich die Schwerpunkte derNanowissenschaften in den letzten Jahren verschoben haben.

Der Nanometerbereich oder Nanobereich ist mehr als nur das Ver-bindungsst�ck zwischen der molekularen und makroskopischen Welt– es ist der spezifische Bereich, in dem chemische Information erfasst,verarbeitet und �bertragen wird. In diesem Aufsatz betrachten wir dielebende Zelle als ein in sich geschlossenes, selbstregulierendes, kom-plexes chemisches System, das seine Arbeit vornehmlich im Nano-meterbereich verrichtet, und wir schlagen vor, dass genau diese Be-schr(nkung auf die Nanoskala f�r die Entstehung und die Erhaltungvon zellul(rem Leben in seiner Minimalform entscheidend ist. Wirbehandeln zentrale Aspekte von Struktur und Funktion des zell-membran(ren und zellinternen Stoffwechsels, die mit dem Aufbaumolekularer Komponenten zu globul(ren Nanoobjekten (integralenMembranproteinen, Enzymen, Rezeptoren usw.) und h1her geord-neten Architekturen wie Mikrotubuli, Ribosomen und molekularenMotoren einhergehen. Zuk�nftige Entwicklungen in den Nanowis-senschaften k1nnten die Grundlage f�r die Erschaffung von k�nstli-chem Leben liefern.

Aus dem Inhalt

1. Einf�hrung – die Bedeutung derNanowissenschaften 5387

2. Bedingungen f�r zellul�resLeben 5389

3. Nanometerd�nneBegrenzungen 5391

4. Globul�re Nanoobjekte 5393

5. Modulare Verb�nde undNanomotoren 5395

6. Nanowissenschaften undk�nstliches Leben 5397

7. Schlussbemerkungen 5398

[*] Prof. S. MannCentre for Organized Matter ChemistrySchool of Chemistry, University of BristolBristol BS81TS (Großbritannien)Fax: (+44)117-929-0509E-Mail : s.mann@bris.ac.uk

[**] Dank geht an Dr. Erik Dujardin, Toulouse, f>r den Entwurf desVortitels.

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Stand anfangs noch die gr2ßenabh�ngige Modifizierung in-trinsischer Eigenschaften im Vordergrund, so ging der Trend

sp�ter hin zur Erforschung von extrinsischen Eigenschaften,die mit einer Miniaturisierung einhergehen. Dieser Wandelr:ckt die Nanowissenschaften heute in die N�he der Biologie,obgleich die Probleme, die mit der Vervielf�ltigung von Mo-lek:larchitekturen einhergehen, sehr verschieden sind vonden technischen Herausforderungen der Maßstabsverkleine-rung. Es scheint selbstverst�ndlich, dass die Miniaturisierungin den Nanobereich ein Hauptkennzeichen der Biochemie ist,und tats�chlich erfordert die Evolution des Lebens die Ent-stehung und Vernetzung vieler Formen nanostrukturierterObjekte (Abbildung 1 und Tabelle 1). Die gezeigten Archi-tekturen fungieren als miniaturisierte Komponenten komplexablaufender Systeme, und mit Blick auf die molekulare Basisdes Stoffwechsels muss gefragt werden, warum diese Struk-turen gerade so groß sind, wie sie sind. Welches sind dieentscheidenden Eigenschaften nanoskaliger Objekte, diekleinen Molek:len fehlen und die letztlich erhaltungsf�hige

Stephen Mann ist Professor f�r Chemie undDirektor des Centre for Organized MatterChemistry der School of Chemistry an derUniversit$t Bristol, Großbritannien. Er be-fasst sich mit der Selbstorganisation, biomi-metischen Synthese und chemischen Evoluti-on komplexer Formen organisierter Materie�ber ausgedehnte L$ngenskalen. Er ist Autorvon �ber 350 Ver3ffentlichungen und desBuchs „Biomineralization: Principles andConcepts in Bioinorganic Materials Chemis-try“ sowie Tr$ger zahlreicher Auszeichnun-gen, u. a. der J. Chatt Medal der RSC

(2007), Mitglied der Royal Society und des Redaktionsbeirats mehrererFachjournale, u. a. von Advanced Materials und der Angewandten Chemie.

Abbildung 1. Beispiele biologischer Nanoobjekte (Einzelheiten und weitere Beispiele in Tabelle 1): a–c) Nanopartikel (a, globul@r (Myoglobin); b,Hohlraum/Kern-Schale (Ferritin); c, gewunden (Nukleosom)); d–f) Helikale Nanofilamente (d, Dreifachwendel (Kollagen); e, Nanopartikelkette(F-Aktin); f, Doppelstrang (DNA); g) NanorHhre (Membranprotein (Porin)), h,i) Nanoschoten (h, L-fHrmig (tRNA)); i, Y-fHrmig (IgG)); j) Nano-fass (Chaperonin-groEL/ES-Komplex); k) Nanok@fig (Clathrin); l) bakterielle S-Schicht. Bildquellen: c) Lit. [28], d) http://www.med.unibs.it/~marchesi/pps97/course/section11/assembli.html, e) Lit. [79], f) http://www.nmr.cabm.rutgers.edu/photogallery/proteins/htm/page26, g) http://www.palaeos.com/Eukarya/Images/BetaBarrels.jpg, h) http://www.biochem.umd.edu/biochem/kahn/teach_res, i) http://www.sci.sdsu.edu/TFrey/Chem365/Proteins/AntibodyStructCh365.htm, j) http://www.rbvi.ucsf.edu/Outreach/Workshops/UCSF-Fall-2005/07-VolumeData/tutorial/chaperonin.html, k) Lit. [73], l) Lit. [60].

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chemische Systeme ausmachen, die zur Selbsterneuerung undReplikation bef�higt sind?

In diesem Aufsatz legen wir dar, dass die Beziehungenzwischen der Biologie und den Nanowissenschaften engersind als allgemein angenommen wird und dass zuk:nftigeEntwicklungen im Nanobereich auf lange Sicht zu erhal-tungsf�higen chemisch komplexen Systemen f:hren werden.Wir betrachten die lebende Zelle als eine in sich geschlossene,selbstregulierende Maschine, deren Funktion auf der Betei-ligung nanoskaliger Komponenten beruht, und wir schlagenvor, dass gerade dieser Gr2ßenbereich f:r die Entwicklungund den Fortbestand von Zellen entscheidend ist. Wir be-gr:nden dies damit, dass die Regulation und Optimierungvon Systemen, die vornehmlich auf der Zufuhr und Reakti-vit�t kleiner Molek:le basieren, Operationen und Umwand-lungen im Nanometerbereich erfordern, die das Erfassen,Verarbeiten und Hbertragen chemischer Information er-m2glichen. In Anbetracht der molekularen Beschaffenheitchemischer Systeme ist diese Abh�ngigkeit eine zwangsl�u-fige Folge der mit der Prozessierung der Komponenten ein-hergehenden Hochskalierung und eine nat:rliche Vorbedin-gung f:r die evolutive Entstehung selbsterneuernder Me-chanismen.

Wir beginnen mit einer Diskussion der Vor- und Rand-bedingungen, die eine Zelle als ein lebensf�higes, selbstre-gulierendes, chemisches System erf:llen muss (Abschnitt 2),und betrachten dann die grundlegende Bedeutung und dieVorteile nanoskaliger Abmessungen f:r die evolutive Ent-stehung einer Systemschnittstelle (Abschnitt 3). In Ab-schnitt 4 untersuchen wir die nanoskaligen Aspekte der In-ternalisierung ausgedehnter Molek:lstrukturen zur Bildungfunktioneller globul�rer Objekte und miniaturisierter zellu-l�rer Transmitter. In Abschnitt 5 werden die grundlegendenVorz:ge er2rtert, die sich aus der molekularen Aggregationglobul�rer Objekte zu h2her geordneten Strukturen wiemolekularen Motoren ergeben. Abschnitt 6 betrachtet auschemischer Sicht die m2gliche Rolle von synthetischen Na-nostrukturen bei der Erschaffung von k:nstlichem zellul�remLeben. Wir enden mit einer Zusammenfassung der wichtigs-ten Schl:sse in Abschnitt 7.

2. Bedingungen f�r zellul�res Leben

Die lebende Zelle kann als r�umlich umgrenztes, kom-plexes chemisches System angesehen werden, das durchStoffwechselvorg�nge, die unter dem Fluss genetischer In-formation ablaufen, in einem selbsterhaltenden und selbst-generierenden Zustand gehalten wird. Die Zellkomponentenwerden vom System selbst hergestellt, umgewandelt und an-geordnet, wobei dieser als Autopoiese[22] bezeichnete Vor-gang als notwendige und m2glicherweise hinreichende Be-dingung f:r das Leben angesehen wird.[23] Die Zelle ist inphysikalisch geordnete Strukturen aufgeteilt, die zeitabh�n-gig erneuert und abgebaut werden. Sie unterliegt dar:berhinaus fluktuierenden/zyklischen Mustern von Informations-,Metabolit-, Materie- und Energiefl:ssen, die aus der Ein-wirkung langfristiger Randbedingungen auf lokale Zust�nderesultieren.[24] Bedeutsam ist, dass die strukturelle und diedynamische Organisation im Laufe der gesamten Evolutionunter wechselnden Bedingungen der lokalen Umgebung co-existieren m:ssen, sodass Stoffwechselvorg�nge in ihremUrsprung, ihrer Wirkung und ihrer Anpassung an das umge-bende Milieu auf fundamentale Weise miteinander verkn:pftsind. Mechanistisch geschieht dies durch den Transport unddas Selektieren von Molek:len und Materialien an der Zell-grenze, die zusammen die Zellfunktion, Hom2ostase undHberlebensf�higkeit der Zelle durch R:ckkopplung zwischendem inneren Organisationszustand und der lokalen Umge-bung aufrechterhalten. Diese Beziehung, die im weitestenSinn als Kognition[25] beschrieben wird, ist zusammen mit derAutopoiese als eine notwendige Bedingung f:r minimal-zel-lul�res Leben identifiziert worden.[26] Dar:ber hinausgehendwurde argumentiert, dass in Anbetracht der grundlegendenBedeutung von Wechselwirkungen und aktiven Interventio-nen mit der Umgebung f:r die Lebens- und Anpassungsf�-higkeit der inneren Zellorganisation die Autopoiese eineVorbedingung der Kognition ist und Kognition wiederumbedeutungsgleich mit Leben ist.[27]

Wenn wir die Schwelle zu einem lebenden System alsminimal kognitiv – und somit auch autopoietisch – definieren,ergeben sich unmittelbar zwei mechanistische Merkmale:

Tabelle 1: Biologische Nanoobjekte.

Typ Beispiel GrHße [nm]

NanopartikelGlobul@r viele Proteine >2.5Hohl Apoferritine 12

Lumazinsynthase 15CCM-Virus[a] 28

Kern-Schale Lipoproteine (LDL) 20Ferritine 8 (Kern) + 4 (Schale)

Gewunden Nukleosomen 11

Nanofilamente (helikal)Doppelstrang DNA 2 (Durchmesser)Coiled-Coil Kollagen 1.4O300MehrkHpfig Myosin 2O135Nanopartikelketten F-Aktin [7O36]n

Desoxyh@moglobin S 20 (Durchmesser)

NanorHhren Tabakmosaikvirus 18O300Mikrotubuli 25 (Durchmesser)Porine 1O5a-H@molysin 1.5/4.5O10

Nanoschoten Clathrintriskelion 2O45 (pro Arm)IgG (Y-fHrmig) 4O5O8tRNA (L-fHrmig) 5.5O7

Nanof@sser Chaperonine 14O15 (Pore 4.5)Proteasomen 15O11 (Pore 5O2)

Nanok@fige Clathrin 60

Nanorotoren F0F1-ATPase 10O8 (F1), 13O5 (F0)

Nanoschichten Lipiddoppelschicht 5 (Dicke)S-Schichten 5–20 (Dicke)

[a] Cowpea chlorotic mottle virus.

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1) eine Systemschnittstelle mit der Umgebung und 2) einSystemnetzwerk f:r die internalisierte Selbstprozessierung(Abbildung 2). Beide Systeme zusammen scheinen eine not-

wendige und hinreichende Bedingung f:r biologisches Lebenzu sein – und wohl auch f:r die Verwirklichung von k:nstli-chem zellul�rem Leben.[27] Sie sind untrennbar miteinanderverbunden, und ihre gegenseitige Abh�ngigkeit folgt auskomplexen Organisationszust�nden der Schnittstelle und desZellinneren, die auf dynamischen Mustern von Material-,Energie- und Metabolitfl:ssen beruhen. Wir werden aus-f:hrlich erl�utern, dass beide Systeme durch nanoskalig mi-niaturisierte Komponenten operieren und integriert sind.

Die Systemschnittstelle wird physisch durch die Zell-membran in Form einer nanometerd:nnen Phospholipid/Sphingolipid/Glycolipid-Doppelschicht beschrieben, in dieProteine eingebettet (Abbildung 1g) oder peripher angela-gert sind. Die Aufgabe der Proteine ist das Speichern, derTransport und der Austausch von Materialien und Energie,außerdem wirken sie als Sensoren f:r die Zell/Zell- und Zell/Molek:l-Erkennung und f:r die Signalgebung (Tabelle 2a).Zweifellos war die evolutive Entstehung der Phospholipid/Protein-Doppelschicht als eine fluidartige nanokomposit�reUmgrenzung eine der wichtigsten Stufen in der Entstehungvon zellul�rem Leben. Die Tatsache, dass so viele grundle-gende Vorg�nge mit der Zellmembran verbunden sind –Membranproteine machen typischerweise ein Drittel desgesamten Proteoms einer Zelle aus – spricht f:r die Hypo-these, dass die Dicke der Lipiddoppelschicht von 5 nm eineentscheidende Rahmenbedingung f:r die Funktion der Sys-temschnittstelle festlegt. Diesbez:glich sollten kleine Nnde-rungen der Dicke der Lipiddoppelschicht und der damitverbundenen Eigenschaften (z.B. Elastizit�t und Fluidit�t derMembran) wichtige Anpassungsparameter f:r die evolutiveEntstehung und Optimierung von funktionellen Eigenschaf-ten gewesen sein. F:r die Stabilit�t einer Lipiddoppelschichtist eine Dicke von mindestens 3 nm erforderlich, w�hrendLipiddoppelschichten mit Dicken :ber 10 nm kaum noch alsSystemschnittstelle geeignet sind (siehe Abschnitt 3).

Interne Prozessierungsnetzwerke sind an der Speicherungund Erzeugung von Energie und Information, an Stoffwech-

selaktivit�ten, an der Genreplikation und an Verteilungsvor-g�ngen in der Zelle (Proteinsortierung, -austausch, -wartungusw.) beteiligt (Tabelle 2b). Diese Vorg�nge stellen ein dis-sipatives Nichtgleichgewichtssystem dar, das durch st�ndigenaktiven Austausch zwischen dem intrazellul�ren Milieu undder Umgebung durch die Zellmembran aufrechterhaltenwird. Das Zytoplasma von Prokaryoten ist kontinuierlich undenth�lt dispergierte Biopolymere, w�hrend Eukaryoten vieleArten von Organellen (Kern, Mitochondrien, Chloroplastenusw.) sowie Kompartimente (Lysosomen, Vesikel) aufweisen,die als diskrete membranbegrenzte Untersysteme wirken.Bedeutsam ist, dass die Selbstprozessierung gegen betr�cht-liche chemische Gradienten und Redoxgradienten best�ndigist,[24] sodass hohe zellul�re Konzentrationen von energierei-

Abbildung 2. Systeme des zellul@ren Lebens.

Tabelle 2: Beispiele von nanoskaligen Biosystemfunktionen.

Funktion Beispiel

a) SystemschnittstelleMaterial- und EnergieflussPassiver Transport Porine, Zell-Zell-Kan@le (gap junctions)Aktiver Transfer Pumpen (Aminos@uren/Na+, Lactose/H+)Synport-Austausch ATPasen (Na+/K+, Ca2+/H+)Einfang Siderophore, Endozytose, Clathrin-Mulden

Photorezeptoren (Bakteriorhodopsin)

SensorikChemotaxis Chemorezeptoren (Methylierung)Hormonelle Signal-gebung

Rezeptor/G-ProteineRezeptor/Phospholipase CEGF-Rezeptoren (Tyrosinkinasen)

Signalgebungskaskaden Adenylatcyclase/GaGTPNeurotransmission Acetylcholin/Catecholaminrezeptoren

GABA-Rezeptoren/Cl�

Zelle/Matrix Integrine/RGDAntigene B-lymphozytische ImmunglobulineMHC-Peptide T-Zell/CD4/CD8-Rezeptoren

b) Interne ProzessierungAllgemeiner StoffwechselStruktur F-Aktin, Tubulin (Mikrotubuli), Kollagen

Spectrin, intermedi@re Filamenteenzymatische Katalyse globul@re ProteineSignalgebung Calmodulin/Ca2+

Erkennung ImmunglobulineMotoren Mikrotubuli/Kinesin, Aktin/MyosinProteinsynthese RibosomenProteinfaltung/-transport

Chaperonine, Membran des endoplasmati-schen Retikulums

Energie MitochondrialmembranSpeicherung Ferritine, MetallothioneineEntgiftung Lysosom/P450, Peroxisom/CatalaseZerstHrung Ubiquitin/Proteasom

Caspasen (Apoptose)

InformationSpeicherung NukleosomenEntwindung Helikase, GyraseReplikation DNA-Polymerase, RNA-PrimaseFehlerkorrekur DNA-PolymerasenSchneiden RestriktionsendonucleasenReparatur LigaseTranslation tRNA/mRNASplicen Spliceosomproteine

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chen (reduzierten) organischen Makromolek:len und Meta-boliten gegen einen starken osmotischen Druckgradientenaufrechterhalten werden. Erreicht wird dies durch Hinaus-pumpen von Natrium- und Chloridionen. Ein �hnlicher Vor-gang bewirkt den Efflux von Calciumionen gegen einenKonzentrationsgradienten von etwa 104, wodurch ein sch�d-liches Vernetzen der intrazellul�ren Biopolymere verhindertwird.

Die Funktion metabolischer Prozessierungsnetzwerkewird von einer makromolekularen Maschinerie unterst:tzt,die prim�r durch kleine organische Molek:le gespeist wird.Die Funktionsweise dieser gr2ßeren Architekturen wirddurch zwei gegenseitig abh�ngige Faktoren bestimmt: denAusbau von Molek:lstrukturen in den Nanometerbereich inVerbindung mit dem Vorhandensein multipler amphiphilerDom�nen. Zusammen treiben diese Faktoren die intramole-kulare Internalisierung und die Bildung von dreidimensio-nalen globul�ren Nanoobjekten mit gefalteten Terti�rstruk-turen voran (Proteine, Rezeptoren, Enzyme, bestimmteRNAs (aber keine DNA); siehe Abbildung 1). F:r globul�reProteine bedingen Struktur- und Energieerfordernisse L�n-genabmessungen von wenigstens 2 nm (siehe Abschnitt 4).Dar:ber hinaus f:hren die gemusterte Oberfl�che und dieunsymmetrische Struktur dieser Objekte oft zu Quart�r-architekturen mit multiplen Dom�nen und komplexenFunktionen. Eine wichtige Eigenschaft dieser biologischenNanostrukturen liegt darin, dass sie die gerichtete Prozessie-rung kleiner und großer Molek:le vermitteln, indem sier�umliche und chemische Wegmuster vorgeben, die dieBrownsche Zufallsbewegung in L2sung ausnutzen und ihrmanchmal auch entgegenwirken k2nnen. Besonders wichtigsind solche Randbedingungen f:r die Entstehung von Pro-zessen wie Bewegung, internem Austausch, Morphogeneseund Segregation von genetischem Material, die alle einekontrollierte Umwandlung chemischer Energie in gerichtetemechanische Bewegung unter isothermen Bedingungen er-fordern. In makroskopischen Maschinen geschieht dies durchW�rmeeinschluss, w�hrend auf der molekularen Ebene diethermische Zufallsbewegung eine selektive Beschr�nkungder Brownschen Bewegung erforderlich macht; erreicht wirddies durch miteinander wechselwirkende nanoskalige Kom-ponenten (siehe Abschnitt 5).

Autopoiese- und Kognitionssysteme sind von der Spei-cherung und der Beschaffung großer Informationsmengenabh�ngig. In Zellen geschieht dies durch die Verarbeitungeines linearen Codes durch molekulare Erkennung vonDNA- und RNA-Makromolek:len. Der Code muss in seinerfehlerfreien Form aufrechterhalten bleiben, was in Form li-nearer Nanofilamente mit einem Molek:lr:ckgrat aus inva-rianten kovalenten 3’-5’-Phosphodiesterbr:cken erreichtwird. Die Polynucleotid-Nanofilamente sind nur 2 nm dick,erreichen aber makroskopische L�ngen (fast 1 m bei be-stimmten menschlichen Chromosomen). Dabei muss derZugang zur Nanoarchitektur gewahrt bleiben, damit die un-z�hligen Protein-DNA-Wechselwirkungen, die z.B. f:r dieDNA-Replikation (Zellteilung) oder die Transkription inmRNA erforderlich sind, stattfinden k2nnen. Hierzu m:ssendie DNA-Molek:le nicht nur unter Erhaltung ihrer nativenNanostruktur gepackt werden – bei Eukaryotenzellen ge-

schieht dies durch Zusammenlagerung mit Histonoctamerenzu Ketten modularer, 11 nm großer Strukturen (den Nu-kleosomen,[28] Abbildung 1c) –, sie m:ssen auch weiterhin f:rStrangtrennung und negatives Supercoiling zur Verf:gungstehen, um codierte Information durch ein Spektrum vonEnzymen verarbeiten zu k2nnen (Tabelle 2b). In beidenF�llen arbeiten die Enzyme als hochkomplexe nanoskaligminiaturisierte Maschinen.

Die starke R:ckkopplung zwischen den komplexen Sys-temen von Schnittstellen- und interner Prozessierung ist auftiefgreifende Weise an die Lebensf�higkeit der Zelle ge-kn:pft, die wiederum ihren „Feinschliff“ durch die nat:rlicheAuslese erh�lt. Auf der Ebene der einzelnen Zelle zeigt sichdie selbstbezogene Beschaffenheit des Lebens in den statio-n�ren Material- und Energiefl:ssen (Hom2ostase), die er-fordern, dass die hierarchischen Netzwerke und Kreisl�ufeder internen Selbstprozessierung in der Lage sein m:ssen,neue Umgebungseinfl:sse passiv oder aktiv in existierendeautopoietische Prozesse einzubeziehen, ohne dass die Le-bensf�higkeit beeintr�chtigt wird. Diese implizit konservativeEigenschaft wird durch ein hohes Maß an Hberwachung undSystemtoleranz erzielt (letztere ist mit der Entartung desgenetischen Codes verbunden) sowie durch Mechanismen derFehlerkorrektur und -reparierung, des molekularen Abbausund der vesikelvermittelten Exozytose (Tabelle 2b). DieseProzesse sind das „allt�gliche Gesch�ft“ des Lebens. ImKonflikt damit steht die F�higkeit der Zelle, sich durchst�ndige Wandlungen der Systemschnittstelle und der inter-nen Prozessierungsnetzwerke an neue Umgebungsbedingun-gen anzupassen, um so ihre Lebensf�higkeit zu erhalten undgar zu verbessern. Dies wird nicht auf der Ebene der einzel-nen Zelle erzielt, sondern durch Selektionsdruck auf Zell-populationen, d.h. auf der :bergeordneten Systemebene derArten.

3. Nanometerd�nne Begrenzungen

In diesem Abschnitt behandeln wir drei zentrale Fragenzur evolutiven Entstehung einer Systemschnittstelle auf derBasis einer nanometerd:nnen Zellmembran: 1) Ist die na-noskalige Dicke der Lipid/Protein-Doppelschicht eine un-vermeidliche Folge nichtbiologischer Selbstorganisation?2) Wie konnte der Einbau integraler Membranproteine in dieLipiddoppelschicht zu einem funktionellen ultrad:nnen Na-nokomposit f:hren? 3) Welche grunds�tzlichen biologischenVorteile erwachsen aus der Miniaturisierung der Schnittstelleauf diesen L�ngenmaßstab?

Phospholipide in Bakterien und Eukaryoten bestehen ausd-Glycerinestern mit ges�ttigten und unges�ttigten Diacyl-ketten, w�hrend in Archaea zwei Isoprenoidketten :berEthergruppen an das l-Glycerin gekn:pft sind. In beidenF�llen k2nnen sich die isolierten Phospholipidmolek:le inWasser spontan zu Vesikeln und Liposomen zusammenzula-gern, was schließen l�sst, dass rein physikochemische anstattbiologische Prozesse gen:gen, um die allgegenw�rtigenDoppelschichtstrukturen zu erzeugen.[29] Die Selbstorganisa-tion von Phospholipidmolek:len h�ngt stark von der Gr2ßeund Form der Molek:le ab: Die kollektiven Wechselwir-

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kungen zwischen den hydrophoben Bereichen nehmen mitder Kettenl�nge zu, sodass die Grenzfl�che von einer ge-kr:mmten in eine ebene Form :bergeht, wenn die Kettenl�nger werden und der Packungsparameter P (= V/al) :bereinen Wert von 0.75 auf Werte von etwa 1.0 steigt (P ist dasVerh�ltnis von Molek:lvolumen (V) zu effektivem Volumen(al) eines Zylinders mit der Querschnittsfl�che a der Kopf-gruppe und der L�nge l des Molek:ls).[30] Diacylphosphati-dylcholine mit Kettenl�ngen von acht Kohlenstoffatomenoder weniger lagern sich zu Micellen zusammen, w�hrendDerivate mit gr2ßerer Kettenl�nge spontan Doppelschichtenbilden.[31,32] Folglich muss die Doppelschicht dicker als 3 nmsein, was eine Gr2ßenuntergrenze f:r ein Lipidsystem fest-legt, das als Schnittstelle in der Zellbiologie arbeiten kann.

In Wirklichkeit ist die Lipiddoppelschicht der Zellmem-bran deutlich dicker als diese durch Struktur- und Energie-betrachtungen ermittelte Untergrenze. Biologische Phos-pholipidmolek:le tragen :blicherweise Acylketten aus 14 bis24 Kohlenstoffatomen mit einem typischen Mittelwert von 16bis 18, wobei Variationen der Kettenl�nge, der Kettensym-metrie, des S�ttigungsgrades und des Cholesterinanteils dieDicke der Doppelschicht wesentlich beeinflussen.[33,34] Indiesem L�ngenbereich hat die Kettenl�nge keinen nennens-werten Einfluss mehr auf den Packungsparameter, der imStabilit�tsbereich einer fluiden Doppelschichtphase bleibt,[30]

und die Molek:labmessungen entsprechen einer Lipiddop-pelschicht mit einem etwa 3 nm dicken Kohlenwasserstoff-kern und einem etwa 1.5 nm dicken Grenzfl�chenbereich auspolaren Kopfgruppen und gebundenen Wassermolek:len,sodass die Gesamtdicke etwa 5 bis 6 nm betr�gt.[35] Dass dasFunktionieren einer Zelle von diesem besonderen Gr2ßen-bereich der Membran abh�ngt, d:rfte zwangsl�ufig so sein, daMembranen mit Acylkohlenstoffketten nahe der Stabilit�ts-grenze (beispielsweise C10 oder C12) hochfluid und anf�llig f:rdie Bildung von Micellen w�ren. Dies w:rde die Struktur-integrit�t und die dynamischen Eigenschaften der eingebet-teten Proteine beeintr�chtigen, insbesondere bei Bakterien-zellmembranen, die kein Cholesterin enthalten. Auf der an-deren Seite w�ren Doppelschichten mit sehr langen Ketten(>C32) wesentlich steifer, da die Biegesteifigkeit mit der Zahlder Kohlenstoffatome bei ges�ttigten oder einfach unges�t-tigten Phospholipiden zunimmt.[36] In diesem Fall w:rde dieMembranfluidit�t, die f:r den Einbau, die Segregation unddie laterale Beweglichkeit integraler Membranproteine er-forderlich ist, beeintr�chtigt werden.

Die laterale Heterogenit�t der Lipiddoppelschicht wirdals wichtiger Faktor f:r das Funktionieren biologischerMembranen angesehen.[37] Bei Membranen mit gemischtenKomponenten wird die Heterogenit�t durch das Fluidver-halten verursacht, das die mit der lateralen Molek:lcluste-rung einhergehende Bildung von Rafts f2rdert, insbesonderebei Sphingolipid/Cholesterin-Gemischen.[38] Auch hoheKonzentrationen integraler Membranproteine, die bei Rho-dopsin im �ußeren St�bchensegment bis zu 30000 pro mm2

betragen,[39] beeinflussen den Aufbau der Doppelschichtenauf der Nanometerebene (Abbildung 3a).[40] Die Protein/Lipid-Nanokompositmembran besteht also aus einer hierar-chischen Anordnung hochdynamischer Lipidmolek:lclustermit den Abmessungen 1–10 nm, die vorzugsweise innerhalb

der Begrenzungsschichten der integralen Membranproteineassoziiert sind.[40] Diese Nichtgleichgewichtsstrukturen spie-len eine entscheidende Rolle f:r die Miniaturisierung desZellmembrankomposits in den Nanobereich und d:rften beider Optimierung der Systemschnittstelle von gr2ßter Be-deutung gewesen sein.

Integration, Verteilung und Segregation der integralenMembranproteine stellen die grundlegenden Funktionen derZellmembran bereit. Diese Prozesse m:ssen aus dem Evo-lutionsdruck hervorgegangen sein, der die rein strukturellePlattform einer Lipiddoppelschicht in eine dynamischeSchnittstelle verwandelte, die Energie- und Materialfl:sseregulieren kann. Transmembranproteine sind oft als helikalesB:ndel mit etwa 3 nm (20 Aminos�urereste) langen hydro-phoben Abschnitten aufgebaut, die sich durch den Kohlen-wasserstoffkern der Lipiddoppelschicht erstrecken.[41] Typi-

Abbildung 3. a) Hierarchischer Aufbau einer Lipid/Protein-Nanokom-positmembran. Die hohe Konzentration an Membranproteinen f>hrtzur Bildung lokaler Cluster von 1–10 nm GrHße. Gezeigt sind Lipid-molek>le in der ersten (weiß) und zweiten Grenzschicht (rot) sowiezwischen den geclusterten H>llen (gelb). Wiedergabe nach Lit. [40].b) Modifiziertes Modell der Lipid/Protein-Nanokompositmembran.Dickeschwankungen der Lipiddoppelschicht gehen mit einer Flecken-bildung aufgrund segregierter Bereiche von Membranproteinen einher,von denen manche große extrazellul@re Dom@nen aufweisen (bei-spielsweise die im linken mittleren Bereich der Abbildung gezeigteF0F1-ATPase). Wiedergabe nach Lit. [42]. c) Elektronenkristallographi-sche Seitenansicht eines Aquaporin-AQP0-Tetramers, das durch geord-nete Anlagerung von Lipidmolek>len der Doppelschichtmembran sta-bilisiert ist. Das AQP0-Tetramer ist als Oberfl@chendarstellung (hellerHintergrund) mit negativ geladenen (rot) und positiv geladenen Berei-chen (blau) sowie hydrophoben Dom@nen (grau) gezeigt; Lipidmole-k>le sind als Kalottenmodell (Vordergrund) mit polaren Kopfgruppen(rot O, orange P) und hydrophoben Ketten (grau) dargestellt. Wieder-gabe nach Lit. [54,55]. d) Molek>ldynamiksimulation einer durch An-bindung einer N-BAR-Proteindom@ne induzierten Kr>mmung einer Li-piddoppelschicht (t=27 ns). Die Doppelschicht kr>mmt sich, um sichder Kr>mmung der Oberfl@che der zur Membran gerichteten N-BAR-Dom@ne anzupassen. Gezeigt sind geladene Phosphatidylserin- (vio-lett) und polare Phosphatidylcholin-Kopfgruppen (gr>n). Wiedergabenach Lit. [58].

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scherweise werden sie nach dem Austreten aus dem Ribosomvon einem proteinleitenden Translocon-Komplex in dieDoppelschicht eingef:hrt,[35] sodass die :bereinstimmendeL�nge der hydrophoben Proteinbereiche mit dem hydro-phoben Abschnitt der Lipidmembran der Hauptanpassungs-parameter ist. In Strukturuntersuchungen wurden deutlicheL�ngenunterschiede der hydrophoben Bereiche von Trans-membranproteinen gefunden,[42] die wiederum Variationen inder Dicke und Kr:mmung der Zellmembran bewirken, diedurch die intrinsische Fluidit�t der Lipidmatrix zugelassenwerden.[43,44] Als Folge hiervon wurde das klassische Fluid-mosaikmodell der Zellmembran abgewandelt, um Bau-merkmale wie ver�nderliche Fleckung, segregierte Struktur-und Funktionsbereiche, ver�nderliche Dicke und Fl�chen-besetzung sowie beschr�nkte laterale Beweglichkeit zu be-r:cksichtigen (Abbildung 3b).[42]

Es gibt starke Hinweise, dass Modifikationen der Mem-brandicke eine wesentliche Rolle bei der Feinabstimmung derWechselwirkungen zwischen Lipidmatrix und integralenMembranproteinen spielen.[45–48] Beispielsweise nimmt dieAktivit�t des Leucintransportsystems von Lactococcus lactisin Liposomen mit Phosphatidylcholin- und Phosphatidyl-ethanolaminmolek:len unterschiedlicher Kettenl�ngen infolgender Reihe ab: C18 � C16 @ C24 > C22 > C14.

[49] DasZusammenspiel von Lipiden und Proteinen in der Zellmem-bran kann von unterschiedlichsten Faktoren beeinflusstwerden, wie etwa der Fluidit�t, Elastizit�t, Kr:mmung undSymmetrie der Membran und der konformativen Hberein-stimmung oder Nicht:bereinstimmung der hydrophoben Li-pidketten und der nichtpolaren Bereiche der integralenMembranproteine. Beispielsweise wird der Faltungsmecha-nismus von Bakteriorhodopsin durch Wechsel der Lipid-zusammensetzung infolge von Nnderungen des lateralen Pa-ckungsdrucks modifiziert.[50] Es wurde auch gezeigt, dassNicht:bereinstimmungen zwischen den hydrophoben Berei-chen der Lipidketten und der Proteine toleriert werdenk2nnen, indem sich die Lipidmatrix verzerrt und den Prote-inabmessungen anpasst.[51] Insbesondere gaben hochaufge-l2ste Strukturen von Protein-Lipid-Wechselwirkungen zu er-kennen, dass die spezifische Packung der Lipidacylketten andie raue hydrophobe Oberfl�che von Transmembranprotei-nen wie Cytochrom bc1,

[52] Bakteriorhodopsin[53] oder Aqua-porin[54,55] (Abbildung 3c) die Stabilisierung der Struktur unddie Funktionsf�higkeit der eingebetteten Makromolek:leunterst:tzt.

Die obigen Betrachtungen verdeutlichen, dass die Flui-dit�t und Elastizit�t der nanometerdicken Lipid/Protein-Kompositfilme funktionelle Modulationen der Dicke, Fle-ckung und Kr:mmung der Membran zulassen. Die Kr:m-mung kann auch durch Anbindung von peripheren Proteinenmit N-BAR-Dom�nen[56] beeinflusst werden, die eineKr:mmung der Doppelschichtmembran hervorrufen, indemN-terminale amphipathische Helices und die stark positivgeladene konkave Oberfl�che des sichelf2rmigen Dimers anStellen mit negativ geladenen Lipiden binden.[57] Simulatio-nen auf atomarer Ebene belegen,[58] dass die Kr:mmung aufsynergistische Weise durch die Einbettung von N-Helices ander Grenzfl�che zwischen den Lipidketten und den Kopf-gruppen im Zusammenspiel mit starken elektrostatischen

Wechselwirkungen erzeugt wird, die gemeinsam die lokaleAnpassung der Membran an die Form der BAR-Dom�neerzwingen (Abbildung 3d).

Wir haben in diesem Abschnitt erl�utert, wie die nano-meterdicke Abmessung der Zellmembran zu physikalischenEigenschaften f:hrt, die mit der evolutiven Entstehung einerSystemschnittstelle vereinbar sind. Die zellul�re Kognitionh�ngt daher auf fundamentale Weise von der strukturellenEvolution membranbezogener Proteine unter der Rahmen-bedingung einer nanometergroßen Abmessung ab, wie siedurch die Dicke der Lipiddoppelschicht vorgegeben wird.Diese Vorgabe verlangt eine Gr2ßenordnung von wenigstens3 nm bei einer optimalen Dicke von etwa 5 bis 6 nm. Zwei-dimensionale Kompositnanostrukturen wie die Lipid/Prote-in-Doppelschicht zeigen Eigenschaften, die ganz wesentlichvom L�ngenmaßstab abh�ngen. Dies liegt daran, dass dieinterne Nanostruktur – anders als bei makroskopischenFilmen – starken Kanteneffekten unterliegt, die auf das hoheVerh�ltnis von Oberfl�che zu Volumen zur:ckzuf:hren sind.Solche Strukturen unterliegen synergistischen Wechselwir-kungen zwischen der Lipidmatrix und den eingebettetenProteinen und sind damit f:r biologische Adaptionen emp-f�nglich, sodass komplexe Systeme von transmembran�renMaterial- und Energiefl:ssen entstehen k2nnen. Demgegen-:ber sind dickere Membranen, wie sie z.B. bei der Zysten-bildung in Protozoen entstehen,[59] f:r Modulationen desL�ngenmaßstabs weniger zug�nglich und f:r eine Fein-anpassung der Signal- und Transporteigenschaften ihrerTransmembranfunktionen kaum geeignet. Eine dickereZellwand kann zwar gegen widrige Umgebungsbedingungenoder w�hrend Ruheperioden des Lebenszyklus von Nutzensein, unter normalen Bedingungen ist sie aber nicht mit einerfunktionierenden Systemschnittstelle vereinbar. In F�llen, indenen die Zellmembran dekoriert ist – z.B. die extrazellul�reSeite der zytoplasmatischen Membran von Prokaryoten, ander zus�tzliche Schichten wie S-Layer-Proteine (Abbil-dung 1 l),[60] Peptidoglycane (Gram-positive Bakterien) odergemischte Peptidoglycane, Lipopolysaccharide und Lipopro-teine (Gram-negative Bakterien) angeordnet sind –, werdenm2glichen Nachteile, die mit einer erweiterten Grenzschichteinhergehen, dadurch umgangen, dass die zus�tzlichenSchichten als lamellare Anordnungen nanometerd:nnerLagen und nanoskaliger Kompartimente angef:gt werden.Solche Multischicht:berstrukturen verbessern die Struktur-integrit�t, die chemische Best�ndigkeit und das Transport-verm2gen der bakteriellen Zellmembran und stellen um-grenzte periplasmatische R�ume f:r die extrazellul�re enzy-matische Prozessierung bereit.

Im n�chsten Abschnitt behandeln wir die Rolle der In-ternalisierung in erweiterten Molek:lstrukturen und die Be-deutung dieses Vorgangs f:r die nanoskalige Miniaturisierungglobul�rer Objekte (Proteine, Enzyme usw.) und f:r dieevolutive Entstehung der Autopoiese.

4. Globul�re Nanoobjekte

Mit Blick auf die zentrale Rolle, die die Proteinfaltung inder Strukturbiologie spielt,[61] stellt die evolutive Entstehung

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globul�rer Nanoobjekte mit komplexem und strukturell be-st�ndigem Innenaufbau ein entscheidendes Ereignis in derEvolution des Lebens dar. Wir halten auch fest, dass vieleRNAs – im Unterschied zur DNA – aus Einzelstr�ngen mitkomplex gefalteten Architekturen bestehen (Abbildung 1h).Bei Proteinen sind diese Architekturen durch ausgedehntelineare Molek:lsequenzen und multiple amphiphile Dom�-nen gekennzeichnet, die umgrenzte Innenbereiche, chemischgemusterte �ußere Oberfl�chen und dynamische Konforma-tionszust�nde erzeugen. Zusammen vermitteln diese Struk-turmerkmale vielf�ltige Funktionen, z.B. die molekulare Er-kennung, den Transport und Reaktionen kleiner Molek:le,Signalgebung und Transduktion durch die Membran sowieauch die Aktivierung, Regulation und Prozessierung vonMakromolek:len. Die Komplexit�t dieser Vorg�nge und diegroße Informationsmenge, die zu ihrer Umsetzung ben2tigtwird, erfordern ein Hochskalieren molekularer Wechselwir-kungen, mit der Folge, dass diese Funktionen auf funda-mentale Weise mit der nanoskaligen Miniaturisierung ver-bunden sind.

Welchen Randbedingungen unterliegt dieses Hochska-lieren? Die Dom�nen globul�rer Proteine umfassen ge-w2hnlich 100 bis 200 Aminos�urereste.[62] Aktuelle theoreti-sche Modelle, die auf gr2ßenabh�ngigen Nnderungen imVerh�ltnis von Oberfl�che zu Volumen zufallsgepackterReste (Packungsverh�ltnis 0.64) beruhen, sagen f:r globul�reProteine mit kugelartiger Form und etwa gleich vielen hy-drophilen und hydrophoben Seitenketten eine optimale Do-m�nengr2ße von 4.5 nm (156 Aminos�uren) voraus.[63] Gr2-ßere globul�re Strukturen werden durch Zunahme des An-teils internalisierter hydrophober Reste stabilisiert, w�hrendkleine Proteine wie Ubiquitin, das aus 76 Aminos�urerestenbesteht,[64] durch Zunahme des relativen Anteils hydrophilerReste kompakte Strukturen aus b-Faltbl�ttern und a-Helicesannehmen. Unterhalb einer Kettenl�nge von etwa 20 bis 25Resten sind Polypeptide nicht mehr in der Lage, globul�reDom�nen zu bilden, da zu wenige hydrophobe Reste f:r dieFaltung zur Verf:gung stehen.[63] Daraus ergibt sich eineMindestgr2ße f:r globul�r gefaltete Dom�nen von etwa2.5 nm, und dies ist die kritische Randbedingung, die dieUntergrenze f:r die Evolution funktioneller dreidimensio-naler Proteinarchitekturen festlegt.

Die meisten Enzyme sind deutlich gr2ßer als kleine Pro-teine wie Ubiquitin, da enzymatische Vorg�nge wie Erken-nung, Bindung, Ausrichtung, Aktivierung und Regulierungniedermolekularer organischer Verbindungen einen hohenGrad an intermolekularer Organisation erfordern. Die Mi-kroumgebungen im Innern der Enzymstrukturen sindgr2ßen-, form- und chemospezifisch f:r die Bindung vonSubstraten und Cofaktoren. Die aktiven Zentren sind ste-reospezifisch und zur Aktivierung des Hbergangszustandsausgelegt, und sie reagieren auf lokale oder globale Kon-formations�nderungen. Diese h2hergeordneten Funktionenf:hren zu chemo-, regio- und stereoselektiven Reaktionen,die entlang spezifischer Trajektorien katalysiert und durchkonformative Umlagerungen reguliert werden. Letzteregehen z.B. mit der allosterischen Bindung von Substraten, derproteolytischen Spaltung von Proenzymen, der cAMP-indu-zierten Dissoziation von Proteinkinasen, Inhibitor- und Sti-

mulationsproteinen und reversiblen kovalenten Modifika-tionen wie der Phosphorylierung einher.

Die strukturelle Evolution membrangebundener globu-l�rer Proteine unter der Randbedingung nanometergroßerAbmessungen ist ein entscheidender Faktor f:r die Funktionder Systemschnittstelle der Zelle (Abschnitt 3). Diese Pro-teine haben zentrale Bedeutung als miniaturisierte Hbertr�-ger rezeptor- und transportvermittelter Informationsfl:ssedurch die Zellgrenze (Abbildung 4). In beiden F�llen h�ngt

Abbildung 4. Funktionsweise integraler Membranproteine in der zellu-l@ren Kognition. Die Proteine sind an verschiedenartigen Vorg@ngenbeteiligt, z.B. passivem und aktivem Ionen- und Molek>ltransport, Er-zeugung von Protonengradienten zur ATP-Herstellung, Erzeugung vonWirkungspotentialen durch spannungsabh@ngige Ladungswanderung,Lichtsammlung und -transduktion, rezeptorvermittelten Signaltrans-duktionskaskaden, Chemotaxis und Transduktion molekularer Bewe-gung. 1) Rezeptorvermittelter Informationsfluss (Signaltransduktions-kaskaden): Die extrazellul@re Bindung von Hormonen und Chemosen-soren f>hrt zu Konformations@nderungen (C1, C2) des Rezeptors, dieintrazellul@re Vorg@nge auslHsen. Beispielsweise erregen Chemosenso-ren eine Signaltransduktion an die Flagellen, indem sie die Geschwin-digkeit der Methylierung/Demethylierung von Glutamat (deMe) aufder zytoplasmatischen Seite des Rezeptors beeinflussen, w@hrend Hor-mone die intrazellul@re Bindung von peripheren G-Proteinen und dieanschließende Freisetzung von aGTP-gebundenen Untereinheiten akti-vieren. Diese wiederum lHsen durch Aktivieren anderer membran-gebundener Proteine (Adenylatcyclase) Kaskaden aus, bei denen se-kund@re Botenstoffe (cAMP) hergestellt werden, die Proteinkinasen zurphosphorylierungsvermittelten Modulation von Zielproteinen stimulie-ren, die beispielsweise am Glycogenabbau beteiligt sind. 2) Transport-vermittelter Informationsfluss: Bestimmte Ionen und Molek>le werdenan der extrazellul@ren Seite abh@ngig von Ladung, GrHße und Polarit@tgebunden, woraufhin es zu einer schleusengesteuerten Reaktionkommt, die durch Protonengradienten, elektrochemische Potentiale,Bindung von Hilfsliganden oder photoinduzierte Konformations@nde-rungen vermittelt wird und die Transduktion aktiviert. Bei Antiportsys-temen beruht die chemische Aktivierung h@ufig auf der ATP-Bindungund Hydrolyse, wobei die Bindungsaffinit@ten der beiden Konformatio-nen, die zum Transport der Spezies (A und B) benHtigt werden, durchPhosphorylierung (Pi) ein- oder ausgeschaltet werden. Die Mechanis-men der Routen (1) und (2) kHnnen durch Wechselwirkungen derTransmembranproteine mit der umgebenden Lipiddoppelschicht mo-duliert werden (Abschnitt 3).

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die Feinabstimmung der chemischen Aktivierung und me-chanischen Hbertragung auf grundlegende Weise von derinternen Struktur ab, die :ber die in der Aminos�uresequenzcodierten Faltungswege entsteht. Das Hauptstrukturmotivbesteht aus intramolekularen oder zwischen den Unterein-heiten gebildeten hydrophilen Poren und Kan�len mit be-stimmter Gr2ße, Form und chemischer Komplementarit�t,die sich in einem komplexen hydrophoben globul�ren Na-noobjekt befinden. Die Proteine k2nnen durch sekund�reWechselwirkungen aktiviert werden, die durch Kopplung undHbertragung r�umlich getrennter Vorg�nge in einer einzel-nen oder einer lokal konjugierten Einheit entstehen. Erreichtwird dies oft durch helikal geb:ndelte oder in Schleifen auf-gebaute Anordnungen, die auf Ionenbindung, Photoanre-gung, transmembran�re elektrochemische Gradienten oderchemische Funktionalisierung an peripheren Zentren miteiner Konformations�nderung reagieren k2nnen. Beispiels-weise h�ngt der lichtinduzierte Protonentransport durch dasSiebenhelixmotiv des Transmembranproteins Bakterio-rhodopsin von der genauen strukturellen Anordnung desHilfschromophors all-trans-Retinal und seines 13-cis-Photo-isomers sowie einem klar abgegrenzten Protonenwande-rungsweg ab.[65] Demgegen:ber schließt der aktive Transportdurch den Na+/K+-ATPase-Antiport zwei oder mehr ein-deutige Konformations�nderungen ein, die entweder durchintrazellul�re Bindung von ATP und Phosphorylierung der a-Untereinheiten (Ausstr2men von Na+) oder durch Dephos-phorylierung (Einstr2men von K+) ausgel2st werden.[66]

Durch reversible, spannungs-, liganden- oder rezeptor-gesteuerte Konformations�nderungen k2nnen station�reoder zyklische Muster von Materialstr2men durch die Zell-membran aufgebaut werden. Diese Informationsstr2me sindein entscheidendes Merkmal der Miniaturisierung der Sys-temschnittstelle in den Nanobereich. Sie sind dann besonderswirksam, wenn die integralen Membranproteine mit peri-pheren Proteinen zu intrazellul�ren Signal:bertragungskas-kaden gekoppelt sind. Ein Beispiel ist die Adenylatcyclase-Kaskade,[67] die durch die extrazellul�re Wechselwirkung vonAdrenalin mit einem transmembran�ren b-adrenergen Sie-benhelixrezeptor ausgel2st wird.[68] In diesem Fall wird dieMembran mithilfe nanometergroßer Komponenten funktio-nell durchquert, sodass der Hormon-Rezeptor-Komplex einextrazellul�res Signal in intrazellul�re Aktivit�t umwandelnkann. Hierbei wird durch einen einzigen Hormonbindungs-vorgang eine Vielzahl von Ga-GTP- und cyclischen AMP-Molek:len erzeugt. Das Funktionieren der Kaskade beruhtdarauf, dass sowohl der Hormon-Rezeptor-Komplex als auchdie Adenylatcyclase dank ihrer Strukturbest�ndigkeit bef�-higt sind, multiple Prozessierungen aufrechtzuerhalten. IhreMultifunktionalit�t versetzt diese Nanostrukturen zudem indie Lage, auf Nnderungen des Hormonspiegels zu reagierenanstatt auf absolute Konzentrationen. Zu einer Desensibili-sierung kommt es z.B. unter Bedingungen anhaltender Re-zeptorbindung durch konkurrierende Prozesse, z.B. durchSerinphosphorylierung des Hormon-Rezeptor-Komplexesoder durch latente GTPase-Aktivit�t der a-Untereinheit, dieden GTP/GDP-Austausch am gebundenen G-Proteinhemmen bzw. die Adenylatcyclase desaktivieren.

Auf ganz �hnliche Weise beruht die Chemotaxis vonBakterien auf der Bindung von l2slichen Chemosensoren(Aspartat, galactosebindende Proteine usw.) an Rezeptorenim periplasmatischen Raum, was wiederum den Grad derreversiblen g-Methylierung von Glutamatresten im cytosoli-schen Segment des Transmembranproteins beeinflusst.[69]

Konzentrations�nderungen der Chemosensoren werden dannin zeitweilige Nnderungen der Methylierung umgesetzt. Diesl2st Konformations�nderungen der Triggerdom�ne aus, dieauf die proteinvermittelte Signal:bertragung an die Flagellenwirkt. Die Verwendung nanometergroßer Komponenten zumBetrieb dieses Systems hat den spezifischen Vorteil, dass dievon z.B. zwanzig einzelnen Chemorezeptoren erzeugte In-formation zusammengefasst und r�umlich verarbeitet werdenkann, bevor sie :ber die Che-Proteine zum Schalten deschemischen Motors weitergeleitet wird.[70] Der Zusammen-schluss der Signale bestimmt dann die Rotationsrichtung derFlagellen und damit die Stopp- und Startraten der Taumel-bewegung der Zelle.

In diesem Abschnitt haben wir grundlegende Zusam-menh�nge zwischen der Funktion einzelner globul�rer Pro-teine und ihrer Strukturbest�ndigkeit :ber nanoskalige Ab-messungen hinweg behandelt. In Anbetracht des tiefgreifen-den Wechselspiels zwischen Stoffwechsel und globul�renArchitekturen liegt die Vermutung nahe, dass die F�higkeitder Zelle, als ein autopoietisches Prozessierungssystem zuagieren, untrennbar mit der evolutiven Entstehung von Ph�-nomenen verkn:pft ist, die direkt mit der Nanometerskalaassoziiert sind. Wir haben hier in erster Linie die Prozessie-rung kleiner Molek:le durch globul�re Strukturen betrachtet,um die allgemeinen Eigenschaften internalisierter Nano-architekturen herauszustellen. Nat:rlich unterliegen globu-l�re Proteine (ebenso wie Polynucleotide und Polysaccharide)selbst einer Prozessierung (Umfaltung, Abbau, Sortierungusw.), die eine geeignete Hochskalierung der beteiligten mi-niaturisierten Vorg�nge erfordert. Bedeutsam ist, dass eineZunahme der Prozessierungskomplexit�t in erster Linie mitdem modularen Zusammenbau mehrerer Untereinheitenverbunden ist, anstatt mit der Synthese von gefalteten Ein-zelketten extremer L�nge. Es scheint, dass solche Strukturenjenseits einer L�nge von etwa 10 nm strukturellen und funk-tionellen Beschr�nkungen unterliegen. So w�ren umfangrei-che Informationscodes und Fehlerkorrekturmechanismen beider Translation erforderlich, hinzu k�men komplizierte Fal-tungs- und Umfaltungswege sowie verst�rkte zellul�reTransport-, Sortierungs- und Abbauprozesse. Dagegenweisen modulare Verb�nde globul�rer Proteine Eigenschaf-ten auf, die f:r die autopoietische Funktionsweise der Zelleessenziell sind. Im n�chsten Abschnitt werden wir solcheSysteme n�her behandeln.

5. Modulare Verb�nde und Nanomotoren

Der modulare Aufbau von Strukturen h2herer Ordnungausgehend von globul�ren Baueinheiten ist eine grundle-gende Erscheinung der Zellbiologie. Dieser Vorgang wird zurStrukturierung von komplexen biologischen Objekten ver-wendet, z.B. von Ribosomen,[71] Chaperoninen (Abbil-

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dung 1 j),[72] Clathrink�figen (Abbildung 1k)[73] und Protea-somen[74] mit L�ngenabmessungen von oft 15–25 nm, wieauch zur reversiblen Fortpflanzung anisotroper zytoskelleta-ler Nanostrukturen (Aktin-Mikrofilamente, Tubulin-Mik-rotubuli usw.), die L�ngen im Mikrometerbereich habenk2nnen. Wie es scheint, hat die Selbstorganisation komplexerStrukturen aus nanoskaligen Objekten („Nanotektonik“)bedeutende Vorteile gegen:ber der spontanen Selbstorgani-sation von Molek:len kleinerer oder mittlerer Gr2ße (su-pramolekulare Organisation). Beide Vorg�nge sind reversibelund beruhen auf kollektiven intermolekularen Wechselwir-kungen, es ist aber offenkundig, dass die Bildung von kom-plexen Strukturen mit integrierten Funktionen leichter durchnanotektonischen Aufbau miniaturisierter Aggregate er-reichbar ist, da die intrinsische dreidimensionale Nanostruk-tur der Baueinheiten wesentlich breitere funktionelle M2g-lichkeiten bietet.

Ein Beispiel ist die Funktion des 20 nm großen Protein-RNA-Komplexes des Ribosoms, der die Translation vonmRNA-Codes in Proteinsequenzen durch tRNA-Molek:lekoordiniert (Abbildung 1h), die die Anticodon-Erkennungund die Anbindung aktivierter Aminos�uren an die Amino-acyl(A)-Bindungsstelle ermitteln. Die Steuerung dieseskomplexen Vorgangs h�ngt ganz entscheidend von der mo-dularen Bauweise und der Organisation der nanometer-großen Untereinheiten und der damit verbundenen Proteineab, da die vielf�ltigen Funktionen zeitlich und r�umlich ko-ordiniert werden m:ssen. Das Ribosom der Prokaryoten hatein Molekulargewicht von :ber 2.5 Millionen Dalton undbesteht aus zwei rRNA-Untereinheiten: der 30S-Unterein-heit, die Wechselwirkungen zwischen mRNA-Codons undtRNA-Anticodons vermittelt, und der gr2ßeren 50S-Unter-einheit, die die Bildung von Peptidbindungen katalysiert unddie Bindung von Aktivierungs-, Verl�ngerungs- und Termi-nierungsfaktoren des G-Proteins vermittelt.[75] Dar:berhinaus gibt es mehr als f:nfzig assoziierte Proteine, von denenetwa dreißig an der 50S-Untereinheit von Haloarcula maris-mortui angeordnet sind (Abbildung 5a).[71] F:r die Funktionder ribosomalen Nanomaschine ist die Translokation deskettenverl�ngerten Polypeptids von der A- zur Peptidyl(P)-Bindungsstelle entscheidend, da dies das L�ngenwachstumdes Polypeptids erm2glicht. Die A- und P-Bindungsstellenm:ssen daher r�umlich getrennt und dabei doch miteinanderverbunden und in eine nichtpolare Umgebung eingebettetsein (um die Peptidhydrolyse zu minimieren). Dar:ber hinausm:ssen beide auf Konformations�nderungen und auf Signalevon Regulationsproteinen wie Initiations- und Verl�nge-rungsfaktoren ansprechen. Zur Vermeidung von Sequenz-fehlern findet die rRNA-katalysierte Bildung von Peptid-bindungen :ber die P/A-Bindungsstellen mit außerordentlichhoher Genauigkeit statt.[76] Erreicht wird dies durch einevergleichsweise geringe Geschwindigkeit der GTPase-ver-mittelten Freisetzung des Proteinverl�ngerungsfaktors Tu,der mit der Aminoacyl-tRNA in der A-Bindungsstelle kon-jugiert ist. Dadurch wird das Konjugat ausreichend verzerrt,um die Bildung von Peptidbindungen bis zur Freisetzung desVerl�ngerungsfaktors zu verhindern.[77]

Eine modulare Anordnung hat den Vorteil, dass derAufbauvorgang hochgradig gerichtet, reversibel und durch

Konformationstrigger reguliert sein kann. Dadurch k2nnendynamische und adaptive miniaturisierte Strukturen f:r einegroße Bandbreite zellul�rer Funktionen verwendet werden.Dar:ber hinaus k2nnen durch den Einsatz asymmetrischernanoskaliger Baueinheiten komplexe Architekturen mithoher Anisotropie und Polarit�t der Struktur aufgebautwerden. Ein Beispiel sind F-Aktinfilamente, die eine Dickevon 7 nm aufweisen (Abbildung 1e) und aus einer helikalenKette globul�rer Untereinheiten bestehen, die gleichf2rmigbez:glich der Orientierung ihrer ATP-Bindungszentren aus-gerichtet sind.[78,79] Ein �hnliches Beispiel sind Mikrotubulibestehend aus vergleichsweise starren Hohlzylindern mit25 nm Durchmesser, die aus einer helikalen Anordnung al-ternierender ab-Tubulindimere aufgebaut sind (Abbil-dung 5b).[80,81] In beiden F�llen beruht die reversible Aggre-gation auf einer Aktivierung/Desaktivierung der Unterein-heiten durch ATP/ADP (Aktin) bzw. GTP/GDP (Tubulin),und die starke Polarit�t der Struktur f:hrt zu unterschiedli-chen Assoziations- und Dissoziationsgeschwindigkeiten anden gegen:berliegenden Enden des F-Aktin-Nanofilamentsbzw. an der Wachstumsspitze des Mikrotubulus. Auf dieseWeise ist es also leicht m2glich, ausgedehnte Hberstrukturenmit hochorganisierter Architektur aus funktionellen Nano-einheiten zusammenzusetzen und wieder zu zerlegen. Auf-grund dieser konkurrierenden Aufbau- und Abbauvorg�ngesind die beteiligten Strukturen transient und hochgradig dis-sipativ.

In biologischen Motoren wird die Strukturpolarit�t von F-Aktin- und Tubulin-Nanofilamenten zur Erzeugung gerich-

Abbildung 5. Modulare Anordnung aus globul@ren Nanoobjekten.a) HochaufgelHste Struktur der ribosomalen 50S-Untereinheit von H.marismortui. Die Grenzfl@che zur kleineren 30S-Untereinheit ist im Vor-dergrund gezeigt. Die RNA ist grau dargestellt, geordnete Proteine(R>ckgrat) sind goldfarben. Die zusammengef>gte Nanostruktur istetwa 25 nm breit. Wiedergabe nach Lit. [71]. b) B@nderdarstellung, diedie Orientierung der a- (oben) und b-Tubulin-Untereinheiten (unten)eines Mikrotubulus-Protofilaments zeigt (der Pfeil markiert die Mikro-tubulusachse). Die GTP/GDP-Bindungszentren sind mit einem Sterngekennzeichnet. Wiedergabe nach Lit. [81]. c) Oberfl@chendarstellungeines Aktinfilaments im Verbund mit hervorstehenden Myosin-S1-Querbr>cken (obere 50 kDa große Kopfdom@ne). Das Schließen deraktinbindenden Spalte ist strukturell mit dem Qffnen der nucleotid-bindenden Tasche gekoppelt. Wiedergabe nach Lit. [82].

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teter Kr�fte verwendet. Molekulare Motoren, die mit wech-selwirkenden nanoskaligen Komponenten arbeiten, wandelnin Konkurrenz zur Brownschen Bewegung unter isothermenBedingungen chemische Energie in gerichtete mechanischeBewegung um. Da ein lokaler Temperaturgradient fehlt, mussdie mit Konformations�nderungen verbundene Umwandlungchemischer Energie auf kollektive Weise nutzbar gemachtwerden und darf nicht durch spontane Hbertragung an diew�ssrige Umgebung verloren gehen. Dies wird beispielsweisedurch Kopplung der Zufallsbewegung zwischen der polarenBahn und der Motorkopfdom�ne eines Aktivatorfilamentswie Myosin (F-Aktin) oder Kinesin/Dynein (Mikrotubuli)erreicht, wodurch schrittweise Nettobewegungen in eine be-vorzugte Richtung entstehen.[82–84] Im Wesentlichen handeltes sich um einen „ratschenartigen“ Mechanismus, der einestrukturelle Direktionalit�t (Polarit�t) und schrittweise (mo-dulare) Inkremente f:r eine Linearbewegung (Muskelkon-traktion, Vesikeltransport) oder eine Drehbewegung (F0F1-ATP-Synthase) vorgibt. Die einzelnen Vorg�nge werdendurch zus�tzliche Konformationstrigger weiter reguliert, z.B.durch nerveninduzierte Ca2+-Freisetzung und Bindung anTroponin-/Tropomyosinproteine auf den Aktin-Nanofila-menten.[85]

Die gerichtete Bewegung auf einer polaren Bahn h�ngtganz grundlegend von der Lokalisation und Anordnung derfunktionellen Untereinheiten der Nanomaschinen ab (Ab-bildung 5c). Die Bindungszentren f:r die ATP-Hydrolyseund die Bewegungsbahn sind so im globul�ren katalytischenKopfbereich der Motordom�ne von Myosin bzw. Kinesinangeordnet, dass sie :ber asymmetrische Konformations�n-derungen (schwenkbare Bereiche), die den Schubzyklus beider Freisetzung von ADP und Pi begleiten, gekoppelt sind.[86]

Der Kraftzyklus in Zilien wird von �hnlichen Vorg�ngenzwischen Dynein-Stielbereichen und Tubulin-Untereinheitenvon Mikrotubuli angetrieben.[87] In diesem Fall verhindernallerdings radiale Speichen und Nexinverkn:pfungen dendyneininduzierten Gleitvorgang benachbarter Mikrotubulium das Axonem, und es kommt zu einem synchronisiertenBiegevorgang anstelle einer Linearbewegung (Kinesin) oderKontraktion (Myosin).

Ein wichtiger Vorteil von nanoskaligen Motoren liegtdarin, dass die gerichteten Bewegungen vergleichsweiseschnell und energieeffizient sind. Biologische Motoren be-wegen Proteinlasten mit typischen Geschwindigkeiten von 1bis 2 mms�1, was wesentlich schneller ist als die passive Dif-fusion von Molek:len durch das Zytoplasma.[88] Bei der En-ergieumwandlung liefert die Hydrolyse eines ATP-Molek:lseine verf:gbare Energie von 100 pNnm (10�19 J), die vonKinesin in einen Bewegungsschritt von 8 nm gegen eine Lastvon 6 pN umgewandelt wird. Dies entspricht einer Um-wandlung mit einem Wirkungsgrad von etwa 50%.[88,89] F:rden Rotationsmotor F1F0-ATPase, der Protonengradientenzur Herstellung von ATP verwendet, wurden Wirkungsgradevon :ber 80% gefunden.[90]

6. Nanowissenschaften und k�nstliches Leben

In Anbetracht der Tatsache, dass das Leben ganz ent-scheidend von der Miniaturisierung seiner Komponenten inden Nanometerbereich abh�ngt, scheint die Behauptungsinnvoll, dass die Realisierung k:nstlicher zellul�rer Systemeebenfalls auf synthetischen Strukturen dieses Gr2ßenmaß-stabs beruhen wird. Nat:rlich ist das Gebiet :berw�ltigendkomplex, aber wir k2nnen zumindest die f:r die Herstellungsynthetischer Zellen notwendigen Grundmuster differenzie-ren, indem wir minimal-zellul�res Leben als eine Konstella-tion aus chemischer Kognition und Autopoiese beschreiben.Auch wenn gegenw�rtig die synthetische Biologie das realis-tischere Szenario bereitstellt[91] – demzufolge neue Spielartenvon Leben mithilfe bestehender Maschinerien erzeugtwerden –, ist es mit Blick auf die Fortschritte in den Nano-wissenschaften interessant, :ber die Realisierung von Mini-malzellen und ihren halbk:nstlichen oder synthetischen Ge-genst:cken zu spekulieren.

Das Konzept der Mindestgr2ße eines Genoms, das zurSelbsterhaltung, Replikation und Evolution bef�higt ist, istheute allgemein akzeptiert. Es wird angenommen, dass einsolches Genom in bestehenden Organismen etwa 200–300Gene umfasst,[92] obwohl f:r die Lebensf�higkeit von Proto-zellen bei der Entstehung des Lebens auch eine geringereZahl gen:gt haben k2nnte.[93] Durch Bottom-up-Strategienwurden gute Fortschritte bei der Rekonstruktion von halb-k:nstlichen Zellen auf der Basis von synthetischen Vesikelnund Liposomen mit darin eingeschlossenen Enzymen undGenen[94] oder integralen Membranproteinen wie a-H�mo-lysin, Bakteriorhodopsin und F0F1-ATPase, die Ionentrans-port und Energieweiterleitung erm2glichen, erzielt.[95–97] ImInnern von Vesikeln wurden Vorg�nge wie die Polymerase-kettenreaktion (PCR) zur DNA-Vervielf�ltigung,[98] dieribosomale Synthese von Poly(Phe)[99] und die DNA-Tran-skription[100] realisiert, wenngleich in allen F�llen die Poly-merisation durch den schnellen Verbrauch der eingeschlos-senen Monomere stark eingeschr�nkt war. Dieses Problemkann zumindest teilweise umgangen werden, indem man zweiGene einschließt, die f:r einen Proteinmarker (gr:n fluores-zierendes Protein, GFP) oder ein Membranporin (a-H�mo-lysin) translatieren, sodass die Proteinsynthese durch dasEinstr2men von N�hrstoffen (ATP, Aminos�uren) durch dieneu gebildeten Kan�le in der Vesikelmembran verl�ngertwird.[101] Allerdings f:hrt die Anh�ufung des Porins schließ-lich zum Zusammenbruch der Membrangradienten, wennsich die Vesikel nicht durch Wachstum und Teilung selbstreplizieren k2nnen. Die Selbstreplikation der Vesikelh:llekonnte in Verbindung mit RNA-Replikation[102] oder Po-lynucleotidsynthese[103] erreicht werden, obwohl die Repli-kation des „Kerns“ und der H:lle nicht synchron verliefenund die im Innern ablaufenden Reaktionen innerhalb weni-ger Generationen durch Verd:nnungseffekte ersch2pftwaren.

Diese Studien sind noch weit von der autopoietischenKopplung von Stoffwechsel und Informationsfluss entfernt,wie sie innerhalb der kognitiven Umgrenzung von bestehen-den, zur Selbstreplikation und Evolution bef�higten Zellenauftritt. Die Komplexit�t der Modellsysteme konnte erh2ht

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werden, indem man ein Gen f:r die RNA-Polymerase in Li-posomen exprimierte und das erhaltene Enzym verwendete,um die mRNA f:r die Proteinsynthese (GFP) nutzbar zumachen.[104] Diese Transkriptionskaskade belegt, dass Gen-expression und Proteinsynthese in Lipidvesikeln gekoppeltwerden k2nnen. Allerdings ist in der synthetischen Proto-zellbiologie der entscheidende Schritt noch nicht gelungen,n�mlich Tr�ger und Katalysatoren genetischer Information zukoppeln, wodurch eine Selbstreplikation in Vesikeln auf-rechterhalten bliebe. Insbesondere w�ren der Einschluss unddie Integration von RNA-Molek:len, die bei der Selbstre-plikation sowohl als Templat als auch als Enzym wirken(Ribozym), ein entscheidender Durchbruch. Dies w�re auchein :berzeugender Beleg daf:r, dass bei der Entstehung desLebens die RNA der Entstehung von DNA und Proteinenvorangegangen ist.[105]

Es werden immer innovativere Wege zu einer syntheti-schen Biologie und zur Modellierung von Protozellen entwi-ckelt. Sie er2ffnen neue und richtungsweisende M2glichkei-ten, die nicht nur zur Aufkl�rung des Ursprungs des zellul�renLebens beitragen,[94] sondern auch neue Bio- und Material-systeme mit zahlreichen Bez:gen zur Medizin und Techno-logie hervorbringen k2nnen.[106] Die bisherigen Entwicklun-gen beruhten sehr stark auf der Verwendung der bestehendenbiologischen Maschinerie, und noch scheint es beinahe un-vorstellbar, dass jemals ein vergleichbares System mit aus-schließlich nichtbiologisch hergestellten Komponenten ver-wirklicht werden kann, auch wenn solche Materialien denBereich der Bedingungen, bei denen k:nstliche Zellen le-bensf�hig bleiben, drastisch ausdehnen w:rden. Es scheintjedoch machbar, in einem ersten Schritt k:nstliche Zellen mitnanoskaligen Systemschnittstellen auf der Basis von Nicht-lipiden zu entwickeln. Beispielsweise k2nnen in w�ssrigerL2sung synthetische Vesikel aus amphiphilen Blockcopoly-meren[107] oder durch schichtweise Ablagerung von Poly-elektrolyten auf kolloidale Opferpartikel[108] hergestelltwerden, l2sliche Proteine und membrangebundene Porinek2nnen in Polymerosome eingebaut werden[109,110] und Poly-elektrolyth:llen k2nnen als k:nstliche Zellen mit hoherMembranpermeabilit�t verwendet werden.[111] Die Ver-schmelzung und Teilung der Polymervesikel kann durchQuellung und Fluidisierung in Verbindung mit der Interka-lation bestimmter Cosolventien erzielt werden,[112] was daraufschließen l�sst, dass die Polymerosom-Selbstreplikationm2glich sein k2nnte, wenn es nur m2glich w�re, solche Ver-bindungen in situ im Innern der Vesikel herzustellen.

F:r die De-novo-Konstruktion k:nstlicher lebenderZellen aus nichtbiologischen Komponenten m:ssen komple-xe Prozessierungssysteme aus nanoskaligen Komponentenmit kollektiven und integrierten Eigenschaften entwickeltwerden. Dies ist eine gewaltige Herausforderung, deren Be-w�ltigung gegenw�rtig kaum vorstellbar ist, sie k2nnte jedochdas anhaltende Verm�chtnis der Nanowissenschaften imeinundzwanzigsten Jahrhundert werden. So gibt es vielver-sprechende Anzeichen, dass die Miniaturisierung komplexerfunktioneller Strukturen in den Nanometerbereich in derReichweite der Synthesechemie liegt. Beispielsweise wurdenNanoporen und -kan�le mit gestapelten Anordnungen cycli-scher Peptide[113] oder aus Zylindern aus Octiphenyl/Peptid-

Stapeln[114] hergestellt. Zytoskelettartige Filamente wurdenaus wurmartigen Micellen von Poly(ethylenoxid)-Di-blockcopolymeren erhalten,[115] und auch lineare oder rotie-rende molekulare Motoren wurden synthetisiert.[116,117] Ro-tierende Motoren k2nnen photochemisch aktiviertwerden[118,119] und in manchen F�llen Arbeit leisten und Ob-jekte bewegen.[120–122] In einigen F�llen konnte die gerichteteEigenschaft dieser Systeme gegen die Brownsche Bewegungdurch Immobilisieren auf Goldoberfl�chen verbessertwerden.[123] Die Untersuchung der katalytischen Aktivit�tanorganischer Nanopartikel ergibt st�ndig neue Aspekte derReaktivit�t, die m2glicherweise in Kreisl�ufe mit Reaktant/Produkt-R:ckkopplungsschleifen mit Nanopartikeln im In-neren oder in der Membran eines k:nstlichen Zellkonstruktseinbezogen werden k2nnen. Beispielsweise sind Gold-Nano-partikel hochwirksame Katalysatoren f:r die Oxidation vonCO, H2, Alkenen und Alkoholen mit molekularem Sauerstoffbei vergleichsweise tiefer Temperatur,[124] und dies legt nahe,solche Nanopartikel als miniaturisierte Katalysatoren ink:nstlichen Zellen zu verwenden. Als weiteres Beispielk2nnte die Bildung von Fetts�uren aus langkettigen Alko-holen einen Mechanismus f:r Membranwachstum undMembranteilung bereitstellen, w�hrend die gleichzeitigeUmwandlung von Glycerin in Glycerat und eines Alkens inein Epoxid Reaktionsintermediate eines primitiven Stoff-wechselkreislaufs ergeben k2nnte. Funktionalisierte Gold-Nanopartikel wurden auch in der optischen, Redox- undAnalytsensorik,[125] der Gas:berwachung,[126] in templatge-steuerten Nanoschaltungen,[127] im motorgetriebenen Trans-port[128] und in der Nanoplasmonik[18] verwendet. NhnlicheFortschritte wurden auch mit anderen anorganischen Nano-partikeln erzielt, z.B. solchen aus CdS, TiO2 und CeO2. Esscheint daher realistisch, dass in der Zukunft die Multifunk-tionalit�t anorganischer Nanopartikel, die bei der Steuerungvon Umwandlungen wie Katalysen, Photoaktivierungen oderEnergieabsorption und -:bertragung genutzt wird, so adap-tiert und integriert werden kann, dass sie zur Entwicklungsynthetischer Protozellen und tragf�higer Systeme mit le-bens�hnlichen Eigenschaften f:hren k2nnte.

7. Schlussbemerkungen

In diesem Aufsatz haben wir die lebende Zelle als einselbstreguliertes, selbsterhaltendes, komplexes chemischesSystem betrachtet, das im Wesentlichen durch Miniaturisie-rung auf die Nanometerskala mittels einer Systemgrenze(Kognition) und interner selbstprozessierender Netzwerke(Autopoiese) arbeitet. Wir postulieren, dass die Evolutioneiner integrierten und funktionalen Zellmembran und dieEntstehung metabolischer Prozessierungsnetzwerke auf derBasis von globul�ren Makromolek:len mit der Hochskalie-rung molekularer Wechselwirkungen auf L�ngenskalen von:ber 3 nm f:r Zellmembranen und 2.5 nm f:r globul�reMakromolek:le verbunden waren. Diese Randbedingungwird durch Struktur- und Energieinstabilit�ten von planarenDoppelschichten kurzkettiger Phospholipide bzw. von Poly-peptidketten mit ungen:gender L�nge und Amphiphilie er-zwungen. Bei einer Membrandicke von 5 bis 6 nm scheinen

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Faktoren wie Fluidit�t der Membran, Biegesteifigkeit undHbereinstimmung/Nicht:bereinstimmung der Konformationvon Lipidketten und integralen Membranproteinen optimiertzu sein, und dieser L�ngenbereich f�llt mit der evolutivenEntstehung von nanometergroßen Molek:len und demEinbau von globul�ren Objekten wie Pumpen, Licht-Energie-Wandlern, Rezeptoren, Hbertr�gern und Chemosensoren indie Lipiddoppelschicht zusammen. Nhnlich bedingen Rand-bedingungen der Faltung von Polypeptid-Sekund�rstruktureneine optimale Dom�nengr2ße globul�rer Proteine von etwa4.5 nm. Dieser Gr2ßenbereich ist in Einklang mit der evolu-tiven Entstehung komplexer und strukturell best�ndiger in-ternalisierter Architekturen mit abgegrenzten Innenr�umenund einer integrierten Konformationsdynamik, die zusam-men f:r das Hochskalieren der Prozessierung kleiner Mole-k:le bei Funktionen wie der enzymatischen Katalyse, demaktivierten Transport, der Signaltransduktion und der Che-motaxis notwendig sind. Die Verwendung globul�rer Nano-objekte ist beispielsweise im modularen Verband von Ribo-somen, in Zytoskelettelementen und in molekularen Motorenvon zentraler Bedeutung f:r den Aufbau h2her geordneter,komplexer und multifunktioneller Anordnungen.

Zum Schluss haben wir die m2gliche Bedeutung vonNanokomponenten f:r die Entwicklung k:nstlicher Systemedes zellul�ren Lebens beleuchtet. Es gibt vielversprechendeAnzeichen, dass die Fortschritte der Synthese- und Material-chemie einen weiten Bereich nichtbiologisch hergestellter,selbstorganisierter Nanostrukturen zug�nglich machen, z.B.Polymermembranen und -filamente, lineare und rotierendemolekulare Motoren, Membrankan�le sowie immer gr2ßerwerdende Bibliotheken nanopartikelgest:tzter katalytischerReaktionen. Diese Komponenten sind f:r die Herstellungminiaturisierter k:nstlicher Systeme mit lebens�hnlichenMinimalfunktionen wie Selbsterhaltung vielversprechend.Die Vorhersage scheint realistisch, dass solche Systeme schonin naher Zukunft als funktionierende Ensembles vorgestelltwerden. Allerdings bleibt das weitverbreitete Problem, sichsynthetische Vorg�nge (ohne Beteiligung von DNA undRNA) der Informationsreplikation, -transkription und-translation vorstellen zu k2nnen, ein elementares Hindernisf:r die Verwirklichung k:nstlicher autopoietischer und ko-gnitiver Zellen. Tats�chlich ist bestreitbar, dass alternativeSelbstreplikationssysteme anorganischen[129] oder organi-schen[130] Ursprungs je den Umfang und die Genauigkeit derDNA-Software und Protein-Hardware bestehender Orga-nismen nachahmen k2nnen. Die scheinbare Einzigartigkeitdes Lebens als Kongruenz der Nucleotidlogik f:hrt zu tief-gehenden wissenschaftlichen und philosophischen Fragen, dienoch viele Jahre unbeantwortet bleiben werden.

Eingegangen am 4. Dezember 2007Online ver2ffentlicht am 30. Mai 2008

Hbersetzt von Dr. Thomas Steiner, Neu-Ulm

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