Zellen sind die Grundbausteine des Lebens und bilden die Vielfalt aller Lebewesen auf der Erde – sowohl einzelne Zellen als auch mehrzellige Organismen. Um besser zu verstehen, wie Zellen die wichtigsten Funktionen des Lebens erfüllen, entwickeln Wissenschaftler synthetische Zellen – nicht lebende Fragmente der Zellbiochemie, die in einer Membran eingeschlossen sind, die bestimmte biologische Prozesse nachahmt.
Forscher entwickeln derzeit ein „Grundlagendokument“ für die Entwicklung synthetischer Zellen. Die Entwicklung synthetischer Zellen könnte eines Tages Antworten auf Fragen zur Entwicklung neuer Methoden zur Krankheitsbekämpfung, zur Unterstützung langfristiger bemannter Raumflüge und zu einem besseren Verständnis der Ursprünge des Lebens auf der Erde liefern.
In einem Anfang 2024 in der Fachzeitschrift ACS Synthetic Biology veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher die potenziellen Möglichkeiten, die die Entwicklung synthetischer Zellen eröffnen könnte, und die Herausforderungen, die diese bahnbrechende Forschung mit sich bringt. Sie präsentieren außerdem einen Fahrplan, der Innovationen in diesem spannenden Bereich inspirieren und vorantreiben soll.
„Das Potenzial dieses Forschungsgebiets ist unglaublich“, sagte Lynn Rothschild, Hauptautorin der Studie und Astrobiologin am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. „Es ist uns eine Ehre, diese Gruppe zu leiten und ein Dokument zu entwickeln, das unserer Meinung nach Grundlagen schaffen und das Forschungsgebiet voranbringen wird.“
Die Entwicklung synthetischer Zellen könnte der Menschheit viele Vorteile bringen. Die Analyse der komplexen Vorgänge bei der Zellbildung könnte Forschern helfen, die ursprüngliche Zellentwicklung besser zu verstehen oder den Weg für die Entstehung neuer Lebensformen zu ebnen, die widerstandsfähiger gegen raue Bedingungen wie Strahlung oder niedrige Temperaturen sind.
Die Entwicklung synthetischer Zellen könnte Forschern zu neuen Fortschritten in der Lebensmittelwissenschaft und Medizin sowie zu einem besseren Verständnis der Ursprünge des Lebens auf der Erde verhelfen. NIH/Rhoda Baer
Diese Innovationen könnten auch zu Fortschritten in der Lebensmittelwissenschaft und Medizin führen – etwa durch eine Verbesserung der Effizienz der Lebensmittelproduktion, die Erkennung von Verunreinigungen während der Produktion oder die Entwicklung neuer Zellfunktionen, die zu neuen Behandlungsmöglichkeiten für chronische Krankheiten und sogar zu synthetischen Organtransplantationen führen könnten, berichtet der Pressedienst der NASA.
Die Schaffung synthetischer Zellen könnte auch einige der wichtigsten Fragen zur Möglichkeit von Leben außerhalb der Erde beantworten.
„Die Herausforderung, synthetische Zellen zu erschaffen, ermöglicht es uns zu verstehen, ob wir allein im Universum sind“, sagte Rothschild. „Wir beginnen, Fähigkeiten zu entwickeln, die es uns ermöglichen, nicht nur synthetische Analoga von Leben zu erschaffen, das auf der Erde existieren könnte, sondern auch Wege zu untersuchen, wie sich Leben auf anderen Planeten bilden könnte.“
Während die Forschung zur Entwicklung synthetischer Zellen weitergeht, sieht Rothschild Möglichkeiten, die unser Verständnis der Komplexität des natürlichen Lebens erweitern könnten.
„Das Leben ist eine erstaunliche Sache. Wir nutzen ständig das Potenzial der Zellen: Wir bauen Häuser aus Holz, stellen Schuhe aus Leder her und atmen Sauerstoff. Das Leben ist erstaunlich präzise, und wenn wir es nutzen würden, wäre es unglaublich, was wir erreichen könnten.“
Wissenschaftler haben eine funktionierende menschliche Gehirnzelle aus Salz und Wasser nachgebaut. Wissenschaftler haben menschliche Synapsen schon lange mit herkömmlichen festen Materialien nachgeahmt, doch eine neue Studie versucht, sie mit extrem einfachen Zutaten nachzubilden: Wasser und Salz.
Durch die Nachbildung menschlicher Synapsen in derselben Umgebung wie in unserem biologischen Gehirn können als iontronische Memristoren bekannte Geräte die kurzfristige Plastizität unseres Gehirns nachahmen.
Während die neuromorphe (gehirnähnliche) Datenverarbeitung noch in den Kinderschuhen steckt, zeigen Multimillionen-Dollar-Projekte, die die neurologischen Fähigkeiten des Gehirns nachbilden sollen, dass der Wasser-Memristor neue Dimensionen der Rechenleistung und -effizienz erschließen könnte.
Seit ENIAC in den 1940er Jahren erstmals Einsen und Nullen auf seinen Bildschirmen anzeigte, haben Computer erstaunliche technologische Fortschritte gemacht. In weniger als einem Jahrhundert sind Computer, die einst ganze Räume füllten, unvergleichlich schneller und effizienter geworden und können (aus unerfindlichen Gründen) sogar im Gesicht getragen werden. Dieser kolossale Fortschritt, der in fast einem einzigen Menschenleben erreicht wurde, ist zwar eine bemerkenswerte technische Leistung, verblasst jedoch im Vergleich zu den Milliarden Jahren kontinuierlicher Evolution, die zur Entwicklung eines der beeindruckendsten Computergeräte aller Zeiten geführt haben: dem menschlichen Gehirn.
Natürlich ist die Nachahmung der Natur eine bekannte Strategie in Bereichen wie Materialwissenschaft, Medizin und sogar Landwirtschaft. Könnte die Kopie des menschlichen Gehirns also zu einem Durchbruch in der künstlichen Intelligenz führen? Die kurze Antwort lautet „Ja“, die lange Antwort „Ja“.
Wissenschaftler der Universität Utrecht (Niederlande), die das aufstrebende Feld des iontronischen neuromorphen Computing erforschen, haben erfolgreich ein künstliches Gerät entwickelt, das die Synapsen des menschlichen Gehirns nachahmt. Das Gerät mit einem Durchmesser von nur 150 bis 200 Mikrometern (ein menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer dick) verwendet Salz und Wasser, um komplexe Informationen zu verarbeiten, ähnlich wie unser Gehirn. Details zu diesem einzigartigen Gerät wurden im April 2024 in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
„Künstliche Synapsen, die komplexe Informationen verarbeiten können, existieren bereits auf der Basis fester Materialien. Wir sind die Ersten, die zeigen, dass dies auch mit Wasser und Salz möglich ist“, sagte Tim Kamsma, Doktorand an der Universität Utrecht und Hauptautor der Studie, in einer Pressemitteilung. „Wir reproduzieren neuronales Verhalten effektiv mit einem System, das sich in derselben Umgebung wie das Gehirn befindet.“
TEK IMAGE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
Das von südkoreanischen Wissenschaftlern entwickelte Gerät, ein sogenannter iontronischer Memristor (Speicherwiderstand), ist kegelförmig und mit einer Wasser-Salz-Lösung gefüllt. Wird das Gerät einem elektrischen Impuls ausgesetzt, bewegen sich Ionen durch den Kanal und verändern die umgebende Ionenumgebung. Ist der Impuls besonders stark oder langanhaltend, verändert sich die Leitfähigkeit des Kanals, was zu einer Stärkung oder Schwächung neuronaler Verbindungen führt.
Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass die Kanallänge die Zeit beeinflusst, die zum Verschwinden von Veränderungen benötigt wird. Laut Kamsma bedeutet dies, dass iontronische Memristoren so konfiguriert werden können, dass sie sich an frühere elektrische Ladungen erinnern, „ähnlich den synaptischen Mechanismen in unserem Gehirn“.
Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie |
Der australische Supercomputer DeepSouth soll als erste Maschine menschliche Gehirnsynapsen simulieren. Während sich diese Forschung auf traditionelle feste Materialien konzentrierte, deutet Kamsmas Arbeit darauf hin, dass ein Wasser-Memristor möglicherweise besser geeignet ist, die kurzfristige synaptische Plastizität unseres Gehirns zu reproduzieren.
„Dies ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von Computern, die nicht nur die Kommunikationsmuster des menschlichen Gehirns nachahmen, sondern auch dieselbe Umgebung nutzen können“, sagte Kamsma. „Dies könnte letztendlich den Weg für Computersysteme ebnen, die die bemerkenswerten Fähigkeiten des menschlichen Gehirns genauer nachbilden.“
KI bringt Wissenschaftler der Kartierung des organisierten Chaos in unseren Zellen näher. Künstliche Intelligenz durchdringt viele Bereiche unserer Gesellschaft und dringt schnell auch in andere vor. Ein Bereich, in dem sie einen bedeutenden Beitrag leistet, ist die Proteinforschung.
Wir sprechen über die Moleküle, die unsere Zellen mit Energie versorgen. KI hat dieses Gebiet vorangebracht, indem sie vorhersagt, wie diese molekularen Maschinen aussehen. Dadurch erfahren Wissenschaftler, wie sie ihre Arbeit verrichten – von der Verarbeitung unserer Nahrung bis zur Umwandlung von Licht in Zucker.
Das Innere einer Zelle ist ein komplexes System aus Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Keith Chambers/Science Photo Library
Wissenschaftler von Google DeepMind haben ihr Proteinvorhersagemodell mit der Veröffentlichung von AlphaFold3 auf die nächste Stufe gehoben. Dieses KI-gestützte Programm kann die einzigartige Form von Proteinen sowie praktisch jeder anderen Art von Molekül vorhersagen, an die ein Protein bindet, um zu funktionieren.
Produzent Burley McCoy spricht mit Moderatorin Emily Kwong über die möglichen Auswirkungen und Grenzen dieser neuen Technologie. Sie diskutieren außerdem das breitere Feld der KI-Proteinforschung und warum Forscher hoffen, dass sie zur Lösung einer Reihe von Problemen beitragen wird, von Krankheiten bis hin zum Klimawandel.
Derzeit kombinieren einige Labormodelle zwei oder mehr Gehirnorganoide zu einem „Assembloid“, das interzelluläre Interaktionen zwischen verschiedenen Gehirnregionen simulieren kann.
In diesem Zusammenhang erklärte das Forschungsteam, dass das Fachgebiet im Voraus neue ethische und regulatorische Rahmenbedingungen berücksichtigen müsse, wenn bewusste Organoide Realität werden.
Wissenschaftler gehen im Allgemeinen davon aus, dass Gehirn-Organoide – dreidimensionale Gewebeansammlungen, die bestimmte Gehirnstrukturen nachahmen – zu einfach sind, um Bewusstsein zu ermöglichen. Da Gehirn-Organoide jedoch immer komplexer werden, besteht die theoretische Möglichkeit, dass einige von ihnen eines Tages diese Schwelle überschreiten könnten.
Die bisher hergestellten Gehirn-Organoide stellen in der Regel nur einen Teil des Gehirns dar. Sie werden verwendet, um die Gehirnentwicklung, Krankheiten und Nebenwirkungen von Medikamenten zu untersuchen, ohne dass hierfür Tiere oder das menschliche Gehirn erforderlich sind.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
