Im Jahr 2023 offenbarte ein weiterer Bioboter erstaunliche Fähigkeiten. Der Anthrobot könnte Neuronen reparieren! Über die Fähigkeiten von Biobots hinaus offenbaren diese Experimente eine wichtige Überlegung: Das „Schicksal“ einer Zelle ist nicht festgelegt! Sie folgen nicht unbedingt einem vorgegebenen Weg und sind in der Lage, sich an neue Umweltbedingungen anzupassen.
„Welche Mechanismen ermöglichen es bestimmten Zellen, nach dem Tod eines Organismus weiter zu funktionieren?“
In ihrer neuen Studie beobachteten Peter Noble und Alexander Pozhitkov die Genexpression in Zellen toter Zebrafische und Mäuse. Entgegen allen Erwartungen stellten sie Transkriptionsausbrüche bei bestimmten Genen fest. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Physiologie. Diese Studie ist untrennbar mit der Dauer der Konservierung von Organen und Geweben für Transplantationen verbunden, da sie auch nach dem Tod des Organismus weiterhin funktionieren. “Diese Widerstandsfähigkeit wirft die Frage auf: Welche Mechanismen ermöglichen es bestimmten Zellen, nach dem Tod eines Organismus weiter zu funktionieren?“ fragt Peter Noble.
Warum die genetische Expression studieren?
Die in der DNA gespeicherten Informationen sind in Gene unterteilt: Teile von Chromosomen. Ein Enzym namens RNA-Polymerase liest und transkribiert die in diesen Genen enthaltenen Informationen in einen neuen Code: mRNAs, auch „Transkripte“ genannt. Daraus sollen für die Zelle nützliche Moleküle wie zum Beispiel Proteine hergestellt werden. Andere Arten von RNA erfüllen verschiedene funktionelle Rollen. Alle diese biochemischen Prozesse werden unter dem Begriff „genetische Expression“ zusammengefasst. Dies ist also ein Indikator für die Zellaktivität, aber nicht der einzige.
Sciences et Avenir: Wie kam es, dass Sie sich für die Grenze zwischen Leben und Tod interessierten?
Peter Noble: Als Alexander Pozhitkov mir bei einem Bier vorschlug, dass wir uns mit dem Tod befassen sollten, hielt ich das zunächst für einen Witz. Aber er blickte bereits über unsere aktuelle Arbeit hinaus. Damals beschäftigten wir uns mit der DNA und der Expression von Genen, die mit ihrer Aktivität zusammenhängt. Intuitiv gehen wir davon aus, dass Gentranskriptionen während des Lebens aktiv sind und mit dem Tod aufhören, oder? Doch entgegen aller Erwartungen stellten wir fest, dass die Expression bestimmter Gene nach dem Tod deutlich zunimmt – sowohl bei Mäusen als auch beispielsweise beim Zebrafisch!
Anfangs war ich skeptisch gegenüber diesen Daten. Durch die Anwendung einer statistischen Technik konnten wir jedoch deutliche „Wellen“ der Zunahme der Transkripthäufigkeit identifizieren. Interessant ist, dass die betroffenen Gene mit verschiedenen biologischen Prozessen in Zusammenhang stehen, darunter Stress, Immunität, Entzündungen usw. Die Frage, die sich dann stellte, war: Warum? Wir haben also nicht wirklich versucht, die Grenze zwischen Leben und Tod zu untersuchen. Unsere Neugier wurde einfach durch die Frage geweckt, warum die Transkription bestimmter Gene kurz nach dem Tod des Organismus zunahm.
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„Überlebensmechanismen spielen eine Schlüsselrolle für die Lebensdauer von Zellen und Geweben“
Wie lässt sich die spontane Umstrukturierung der zu Clustern zusammengefassten Zellen erklären?
Die spontane Umstrukturierung von Zellen zu Clustern ist eine neue Eigenschaft, die noch nicht vollständig verstanden wurde. Besonders faszinierend ist, dass einzelne Zellen neue vielzellige Organismen (wie Xenobots) bilden können, ohne vorgegebene Entwicklungspfade einzuhalten.
In Froschembryonen beispielsweise verfügen die Zellen über Flimmerhärchen, mit denen sie Schleim ausstoßen. Allerdings nutzen die Xenobots die Flimmerhärchen auf andere Weise wieder: um sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden. Dieser Befund legt nahe, dass Zellen eine inhärente Fähigkeit besitzen, sich an neue Umweltbedingungen anzupassen. Zukünftige Studien könnten tiefer in die Plastizität zellulärer Systeme eintauchen. Frühere Arbeiten deuten auch darauf hin, dass physikalisch-chemische Wechselwirkungen, wie etwa bioelektrische Netzwerke, als „kognitiver Klebstoff“ fungieren, der einzelne Untereinheiten zu größeren entstehenden Einheiten verbindet.
Was haben Sie bei der Untersuchung der Genexpression von Zellen toter Tiere beobachtet?
Bereits 2017 beobachteten wir einen Anstieg der Transkription bestimmter Gene, nach dem Tod von Zebrafischen und Mäusen. Mehrere Hypothesen könnten diese „Wellen“ erklären. Im Laufe der Evolution haben sich möglicherweise bestimmte Wege entwickelt, um die Heilung oder „Wiederbelebung“ nach schweren Verletzungen zu fördern. Was einen adaptiven Vorteil darstellen würde. Die erhöhte Häufigkeit von Transkripten der Entzündungsreaktion würde beispielsweise darauf hinweisen, dass ein Signal einer Infektion oder Verletzung von Zellen erkannt wird, die nach dem Tod des Organismus noch leben. Darüber hinaus könnten diese Anstiege auch auf den schnellen Abbau bestimmter Genrepressoren oder ganzer Wege, die zur Gentranskription führen, zurückzuführen sein.
Wie können wir die Unterschiede in der Lebensdauer verschiedener Zelltypen erklären?
Unsere jüngsten Entdeckungen geben Aufschluss über die Faktoren, die das Überleben und die Funktion von Zellen nach dem Tod eines Organismus beeinflussen. Tatsächlich variiert ihre Lebensdauer je nach Zelltyp stark. Als Hinweis gilt, dass weiße Blutkörperchen beim Menschen zwischen 60 und 86 Stunden nach dem Tod sterben. Einige Muskelzellen von Mäusen können jedoch 14 Tage nach dem Tod kultiviert werden. Bei Fibroblasten von Schafen und Ziegen erreichen wir sogar einen Monat.
Die Lebensdauer hängt unter anderem von der Stoffwechselaktivität der Zellen ab. Beispielsweise haben Neuronen oder Herzmuskelzellen einen hohen Energiebedarf. Sie sind daher schwieriger zu kultivieren als Fettzellen, Adipozyten oder Fibroblasten, die einen geringen Energiebedarf haben.
Auch für die Lebensdauer von Zellen und Geweben spielen Überlebensmechanismen eine Schlüsselrolle. Nach dem Tod des Organismus wird ein deutlicher Anstieg der Aktivität von Genen im Zusammenhang mit Stress und Genen im Zusammenhang mit dem Immunsystem beobachtet, was wahrscheinlich den Verlust der Homöostase, des physiologischen Gleichgewichts der Zellen, ausgleicht. Auch andere Faktoren wie Traumata, Infektionen, Alter oder Geschlecht beeinflussen die Lebensfähigkeit der Zellen erheblich. Auch deshalb stellen Transplantationen eine echte medizinische Herausforderung dar.
Welche Wechselwirkungen bestehen also zwischen diesen Variablen und wie ermöglichen sie, dass Zellen nach dem Tod funktionieren? Eine der Hypothesen, die man aufstellen könnte, ist folgende: Bestimmte Kanäle in Zellmembranen erzeugen elektrische Signale, die es den Zellen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und Funktionen auszuführen. Sie könnten so die Struktur des Organismus, den sie bilden, prägen.
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„Leben und Tod gelten traditionell als Gegensätze, aber das sind sie nicht“
Warum können wir tatsächlich von einem „dritten Zustand“ zwischen Leben und Tod sprechen?
Wir haben das Konzept des „Dritten Standes“ entwickelt, weil Leben und Tod traditionell als Gegensätze angesehen werden, dies jedoch nicht der Fall ist. Alexander und ich haben zuvor über die „Zwielichtung des Todes“ gesprochen, die wir als den Übergang von einem lebenden Körper zu einer verwesenden Leiche definierten. Die Möglichkeit eines Drittstaates war uns damals nicht bekannt, worüber wir später berichteten.
Der dritte Zustand entspricht nicht entwicklungsbedingten Transformationen wie der Metamorphose von Raupen in Schmetterlinge oder der Entwicklung von Kaulquappen zu Fröschen, da es sich hierbei um Entwicklungsprozesse handelt. Der dritte Zustand unterscheidet sich von diesen Transformationen dadurch, dass Zellen die Fähigkeit besitzen, sich zu vielzelligen Organismen mit neuen Funktionen zu entwickeln. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen eine einzelne Zelle eines lebenden Menschen und lassen sie mithilfe ausgefeilter technischer Techniken zu einem neuen vielzelligen Organismus heranwachsen. Dieser neue Organismus würde nicht mehr als Mensch betrachtet, aber ist es das? Es besteht aus dem gleichen genetischen Material wie ein Mensch. Sollten wir diesem neuen vielzelligen Organismus die gleichen Rechte einräumen wie einem lebenden Menschen? Eine weitere interessante Frage ist: Welche neuen Eigenschaften oder Verhaltensweisen hat dieser neue Organismus und welche Mechanismen liegen ihm zugrunde?
Welche praktischen Implikationen können diese Ergebnisse für die Medizin haben?
Die praktischen Auswirkungen sind potenziell zahlreich, aber bisher wurde noch keine realisiert. Das Levin-Labor, aus dem die Anthrobots stammen, schlägt vor, dass Biobots in den Körper injiziert werden könnten, um bei Patienten mit Arteriosklerose Plaque aufzulösen oder bei Patienten mit Mukoviszidose überschüssigen Schleim zu beseitigen. Aus einzelnen lebenden Geweben gezüchtete Roboter könnten auch zur Verabreichung von Medikamenten eingesetzt werden, ohne eine unerwünschte Immunantwort auszulösen, da sie aus den eigenen Zellen des Patienten gezüchtet werden. Unsere neueste Arbeit beleuchtet die zugrunde liegenden Mechanismen der Organ- und Gewebespende sowie der Transplantation. Ein besseres Verständnis darüber, wie bestimmte Zellen weiterhin funktionieren und sich einige Zeit nach dem Ableben eines Organismus sogar in neue mehrzellige Einheiten verwandeln, verspricht Fortschritte in der personalisierten und präventiven Medizin.
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