Membranen für künstliche Zellen DOI: 10.1002/ange.200704022 Vesikelbildung aus reaktiven Tensiden** HelmutH. Zepik,* Peter Walde* und Takashi Ishikawa In den letzten Jahren ist die Synthese von künstlichen Zellen im Labor zu einem realistischen Forschungsziel geworden. [1] Man kann zwei komplementäre Ansätze unterscheiden: Der Bottom-up-Ansatz versucht, eine synthetische Zelle auf der molekularen Ebene zu konstruieren. Inspiriert vom Szenario einer RNA-Welt, die zur Entstehung des Lebens führte, stellen sich viele Wissenschaftler eine RNA-Replikase vor, die sich im Innern eines replizierenden Vesikels selbst repli- ziert. [2] Beim umgekehrten Top-down-Ansatz versuchen die Forscher eine Minimalzelle zu rekonstituieren, indem sie die Komplexität des biologischen Organismus zu einem mini- malen Bausatz aus DNA, RNA und Proteinen reduzieren. Dieser muss jedoch ausreichend sein, um die Vermehrung und Evolution der Zelle zu gewährleisten. [3] In diesen Un- tersuchungen zu künstlichem Leben sind die Lipidkompo- nenten entweder natürlich vorkommende Phospholipide [4] oder Fettsäuresysteme. [5] Letztere haben die besondere Ei- genschaft, bei hohem pH-Wert als Micellen vorzuliegen, während eine einfache Senkung des pH-Werts zu einer Um- wandlung in Vesikel führt. [6] Darauf aufbauend wurde vor kurzem die Bildung von Vesikeln aus Micellen und deren kontrolliertes und kontinuierliches Wachstum erreicht. [7] Al- lerdings sind Vesikel aus Fettsäuren nur innerhalb eines engen pH-Bereichs und nur bei niedrigen Salzkonzentratio- nen stabil. [8] Dagegen sind Phospholipidmembranen unter verschiedensten Bedingungen stabil, jedoch erfordern ihre Bildung und ihr Wachstum einen anspruchsvollen Biosyn- theseapparat mit mehreren Enzymen. [9] Wegen ihrer sehr niedrigen kritischen Vesikelbildungskonzentration (critical vesicle concentration, cvc) im submikromolaren Bereich können Phospholipide nicht als Monomere oder Micellen zu bereits vorhandenen Vesikeln zugegeben werden, um deren Wachstum zu induzieren. Zudem kommt es beim Wachstum durch Fusion von Vesikeln in vielen Fällen zu einem massiven Verlust des Vesikelinhalts. [10] Deshalb wäre die Entwicklung eines Systems sehr nützlich, das die Vorteile von Phospholi- piden mit dem einfachen Aufbau von Tensiden ohne den Rückgriff auf Enzyme verbindet. Johnsson et al. haben kürzlich Geminitenside auf Koh- lenhydratbasis eingeführt, deren Aggregation pH-abhängig ist. [11] Sugawara und Mitarbeiter haben ein neues chemisches System von selbstreplizierenden Riesenvesikeln vorgestellt. Die Vorstufen sind ein amphiphiler Benzaldehyd und ein li- pophiles Anilinderivat, die über Iminbildung zu einem lang- kettigen Amphiphil reagieren, das Vesikel bildet und eine quartäre Ammoniumkopfgruppe trägt. [12] Wir waren jedoch an biomimetischen Lipiden interessiert, die wie Phospholi- pide mit zwitterionischer Kopfgruppe und zwei aliphatischen Ketten ausgestattet sind. Menger und Peresypkin haben kürzlich über eine neue Tensidstruktur mit diesen Charakte- ristika berichtet. [13] Sie zeigten, dass so genannte zwitterioni- sche Geminitenside (Schema 1) in Abhängigkeit von den Kettenlängen m und n zu Micellen, Koazervaten, Vesikeln oder Gelen aggregieren. Zwitterionische Geminitenside mit m,n > 10 bilden vorwiegend Vesikel. Wir postulierten, dass ein Schwefelatom anstelle der Sauerstoffbrücke in 1 das Ag- gregationsverhalten nicht beeinträchtigen sollte. Zusätzlich sollte die Schwefelbrücke die konvergente Synthese der zwitterionischen Geminitenside in wässriger Lösung ausge- hend von entsprechend funktionalisierten einkettigen Tensi- den ermöglichen. Als das S-analoge zwitterionische Geminitensid 1a (m = n = 12) in Wasser dispergiert wurde, bildete es wie erwartet Vesikel. Daraufhin mischten wir die einkettigen Tenside 2a (m = 12) und 3a (n = 12), um 1a in situ herzustellen. Phos- phorthioat 2a und das quartäre Ammoniumsalz 3a wurden jeweils in wässrigem Puffer gelöst und dann langsam gemischt (2–4 h). Nach einigen Minuten wurde die Lösung trübe, was auf die Bildung von größeren Aggregaten hinwies. Nach vollständiger Mischung wurde die Suspension eine weitere Stunde lang gerührt und danach mit Cryo-Transmissions- elektronenmikroskopie (Cryo-TEM) untersucht. Es wurde eine heterogene Ansammlung von großen multilamellaren Schema 1. Oben: Allgemeine Struktur der zwitterionischen Gemini- tenside. Unten: Bildung des zwitterionischen Geminitensids 1 aus funktionalisierten Vorstufen. [*] Dr. H. H. Zepik, Prof. Dr. P. Walde Departement Materialwissenschaft, ETH Zürich 8093 Zürich (Schweiz) Fax: (+ 41)446-321-265 E-Mail: hzepik@mat.ethz.ch peter.walde@mat.ethz.ch Dr. T. Ishikawa Departement Biologie, ETH Zürich 8093 Zürich (Schweiz) [**] Diese Arbeit wurde von der EU COST action D27 „Prebiotic Che- mistry and Early Evolution“ unterstützt. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://www.angewandte.de zu finden oder können beim Autor angefordert werden. Angewandte Chemie 1343 Angew. Chem. 2008, 120, 1343–1345 # 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim