Was ist Leben? Versuch einer Definition
Die Frage nach den Grundprinzipien des Lebens stellt die VolkswagenStiftung in einer neuen Förderinitiative. Bei einem öffentlichen Abendvortrag im Rahmen der Kick-off-Konferenz im Dezember 2015 berichtete Prof. Dr. Petra Schwille über ihre Forschung auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie sowie aktuelle Erkenntnisse.
Was Leben ist und wie es entstand, versuchte man lange Zeit mit Spekulationen zur "Urzeugung" oder dem spontanen Entstehen des Lebens aus Schlamm oder Fäulnis zu erklären. Längst haben Forschungsergebnisse diese Annahmen widerlegt, denn jede Zelle geht aus einer anderen hervor. Doch nun stellt sich diese Frage: Wie ist die erste aller Zellen entstanden – und wie sah sie aus? Um diesem Geheimnis auf die Spur zu kommen, versuchen Wissenschaftler(innen), lebende Zellen aus einzelnen Einheiten neu aufzubauen. Bislang scheitern diese Versuche noch, denn biologische Systeme bestehen aus diversen organischen Bausteinen mit hochkomplexen Abläufen – entwickelt in Milliarden Jahren der Evolution.
Die Biophysikerin und und Direktorin des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried, Prof. Petra Schwille, hat in ihrem öffentlichen Abendvortrag im Rahmen der "Kick-off Konferenz: Leben? - Eine neue Förderinitiative stellt sich vor." aus ihren Forschungen berichtet. Die Leibniz-Preisträgerin koordiniert in der Max-Planck-Gesellschaft den Forschungsverbund "MaxSynBio", in dem sich eine Gruppe von mehreren Max-Planck-Instituten zusammengefunden hat, um künstliche Zellen zu konstruieren. "Was ist Leben? Eigentlich ist dies eine philosophische Frage", leitete Schwille ihren Vortrag ein. "Biologen mögen diese Frage nicht, denn ihr Fachgebiet ist es, Leben zu beschreiben."
Vieles weiß man, vieles noch nicht
Die Beschreibungen und Kenntnisse der Bausteine des Lebens wie Molekülen, der usw. sind heute bereits vielfältig. Ebenso die Definitionen bzw. Kriterien des Lebens, wie Petra Schwille aufführte: Es gehe um Stoffwechsel, Vermehrung, Wachstum und Homöostase, also den Erhalt des Gleichgewichts in einem dynamischen System. Zudem bestehe Leben aus Informationen, Bewegung, Beweglichkeit sowie Interaktion mit der Umwelt. Nicht zuletzt sei Leben auch durch die Eigenschaft von Lebewesen charakterisiert, durch Veränderung ihrer Gene eine Veränderung ihrer Merkmale herbeizuführen, sowie Komplexifizierung und Gerichtetheit. "Gerichtetheit bedeutet, dass das Leben "irgendwo hin" will. Das zumindest denken wir, können es aber in keine naturwissenschaftliche Formelsprache bringen", berichtet die Biophysikerin. Nach ihrem philosophischen Einstieg ging Petra Schwille detaillierter auf ihre Forschungsarbeit ein, die darauf basiert, dass alles Leben aus einer ersten Zelle entstanden ist und im Laufe der Evolution immer komplexer wurde. Diese erste Minimal- bzw. Urzelle will Schwille mit ihren Mitarbeiter(innen) nun nachahmen. Sie will herausfinden, was die grundlegenden Bausteine sind, die eine Zelle zum Überleben benötigt.
Biologen gehen von zwei möglichen Ansätzen aus, um eine solche Minimalzelle zu generieren: top-down- und bottom-up-. Beim Top-down-Ansatz entnehmen Forscher(innen) einer Zelle alle Komponenten, die für ihr Überleben – zumindest in einer sterilen Umgebung – nicht zwingend notwendig sind, nämlich unter anderem Bausteine, die als Abwehrmechanismen fungieren. Der Bottom-up-Ansatz stellt die Frage danach, welche Bausteine unbedingt zusammengesetzt werden müssen, damit eine Zelle funktionieren kann. "Ich meine, dass der Top-down-Ansatz nicht funktionieren kann", sagte Schwille. "Denn die Art, wie Zellen im Laufe der Evolution eine bestimmte Funktion erworben haben, ist hochkomplex. Aus vorhandenen Funktionen entstehen immer wieder neue. Daher macht es aus meiner Sicht keinen Sinn, einzelne Teile aus einem hochkomplexen System zu entnehmen und dann zu überprüfen, ob dieses System noch funktioniert. Sinn macht aus meiner Sicht nur, zu prüfen, was ganz am Anfang steht."
Ordnung ist das halbe Leben
Die Forscherin fokussiert sich bei dem von ihr favorisierten Bottom-up-Ansatz auf den Aspekt der Ordnung von Systemen: "Lebende Systeme sind in der Lage, durch Einspeisen von Energie Ordnung nicht nur zu erzeugen, sondern auch aufrecht zu erhalten. Aber wie kann ein System sich aus sich selbst heraus ordnen?" Dieser Prozess der Ordnung lässt sich beispielsweise bei der Zellteilung beobachten, bei dem sich in der Mitte einer teilenden Zelle zwei neue Zellwände bilden. Hier organisieren sich die verantwortlichen Moleküle in einer viel größeren Skala, als sie selbst – sofern man den Energieträger der Zellen, das Adenosintriphosphat (ATP) hinzu gibt. Diese Organisation, die auch im freien Raum, zum Beispiel auf einem Deckelglas, stattfindet und steuern lässt, hat Schwille mit anschaulichen Experimenten bewiesen. "Natürlich sind dies nur allererste kleine Schritte auf dem Weg zu einer funktionierenden Zelle. Wir wissen aber auch nicht, ob nicht vielleicht ein anderer Schritt als erster wichtig ist", schloss die Wissenschaftlerin.
Tina Walsweer
