Die Zelle

Eine chemische Fabrik, die ihre eigene Grenze zieht, ihr Inneres weitab vom Gleichgewicht hält und sich selbst kopiert, sobald Nachschub kommt.

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Der Beitrag

1665 legte der englische Naturphilosoph Robert Hooke die Micrographia vor — ein Tafelwerk im Folioformat, gezeichnet am Okular eines der ersten brauchbaren zusammengesetzten Mikroskope. Auf dem Objektträger lag ein hauchdünner Schnitt Kork, und Hooke sah, dass das Holz aus lauter winzigen rechteckigen Kammern bestand — sie erinnerten ihn an die Zellen, die kargen Schlafkammern eines Klosters. Er benannte sie nach diesen Kammern, und der Name ist geblieben. Bis daraus eine Theorie wurde, vergingen zwei Jahrhunderte: Anton van Leeuwenhoek fand in den 1670er Jahren einzellige Lebewesen im Tümpelwasser, Theodor Schwann und Matthias Schleiden formulierten 1838/39 die Zelltheorie — alles Lebendige besteht aus Zellen; die Zelle ist die Grundeinheit des Lebens; Zellen gehen nur aus Zellen hervor (Virchow, 1855). Damit hatte die Biologie einen vereinheitlichenden Beobachtungssatz, unter den sich vom Bakterium bis zum Wal alles einordnen ließ.

Eine Zelle ist ein chemisches System mit eigener Grenze, das sich weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht hält und sich durch Zweiteilung vermehrt. Die Grenze zieht eine Phospholipid-Doppelschicht: ein nahezu perfekter elektrischer Isolator und zugleich ein selektiver Filter. Dahinter bauen Ionenpumpen Gradienten auf, in denen freie Energie steckt — sie bezahlt alles vom Aktionspotenzial bis zur ATP-Synthese. Von ATP, der universellen Energiewährung, setzt eine arbeitende Zelle rund zehn Millionen Moleküle pro Sekunde um. Leben ist deshalb kein Stoff, sondern ein Vorgang: eine anhaltende Weigerung, ins Gleichgewicht zu fallen, bezahlt mit einem ununterbrochenen Strom von Energie und Materie durch die Membran.

Die tiefste Trennlinie, die sich durchs Leben zieht, verläuft zwischen zwei Sorten Zellen — die evolutionäre Kluft dazwischen ist gewaltig. Prokaryoten — Bakterien und Archaeen — bleiben klein, besitzen keinen Zellkern, tragen ihre DNA frei im Zytoplasma und existieren seit etwa 3,8 Milliarden Jahren. Eukaryoten sind eine Größenordnung größer, schließen ihre DNA in einen membranumhüllten Zellkern ein und enthalten Organellen: Mitochondrien, Chloroplasten, endoplasmatisches Retikulum, Lysosomen, dazu ein Zytoskelett. Woher diese aufwendige Innenarchitektur stammt, erklärt Lynn Margulis' Endosymbiontentheorie, seit den 1980er Jahren allgemein anerkannt: Mitochondrien und Chloroplasten gehen auf frei lebende Bakterien zurück, die eine Vorläuferzelle verschluckte und nie verdaute. Sie führen bis heute eigene ringförmige DNA mit sich, eigene Ribosomen, eine eigene Teilungsmaschinerie. Vielzelligkeit entstand mehrfach unabhängig voneinander, nachdem die eukaryotische Chimäre einmal beisammen war; über unterschiedliche Genexpression spezialisierten sich Zellen zu Geweben. Im menschlichen Körper stecken rund 37 Billionen Zellen, verteilt auf etwa 200 verschiedene Zelltypen.

Warum jetztBiotechnologie heißt in wachsendem Maß: Zellen bauen. Die Zugpferde der Pharmaproduktion — CHO-Zellen für therapeutische Antikörper, HEK293 für Impfstoffe, HeLa für die Forschung — sind unsterblich gemachte Linien, die seit Jahrzehnten in Kultur weiterleben. Induzierte pluripotente Stammzellen (Yamanaka, 2006) erlauben es, jede ausgereifte Körperzelle in den pluripotenten Zustand zurückzuversetzen. Bei der CAR-T-Therapie werden einem Patienten die eigenen T-Zellen entnommen und genetisch so umverdrahtet, dass sie seinen Tumor angreifen — bei einigen Leukämien und Lymphomen, die zuvor als unheilbar galten, führt das zur Heilung. Die Einzelzell-Sequenzierung hat gezeigt, dass unter dem Mikroskop einheitlich wirkende Gewebe in Wirklichkeit Mosaike aus Dutzenden verschiedener Zellzustände sind. Und die synthetische Biologie — Hefen, die Opioide herstellen, Bakterien, die Spinnenseide spinnen, Craig Venters Minimalzelle mit gerade 473 unentbehrlichen Genen — nutzt die Zelle als programmierbares Substrat.