Zellen sind lebende Fabriken, die aus zahlreichen Reaktionsräumen bestehen. Der Freiburger Chemiker Stefan Schiller will in Zellen künstliche Bläschen als Reaktionsräume schaffen und diese so ausstatten, dass darin künftig nützliche Substanzen hergestellt werden können. Mit solchen „Designer-Organellen“ will er die Basis legen für einen universellen Produktionsorganismus. Ein Vorhaben, für das der 43-Jährige nun den Forschungspreis „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erhält. Mit der Millionenförderung kann Schiller in den kommenden fünf Jahren ein Team mit sechs Mitarbeitern finanzieren. Am Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) an der Universität Freiburg wird er dazu nun selbst neue „Reaktionsräume“ beziehen und einrichten.

Stefan Schiller ist unter den Bioingenieuren der Innenarchitekt. Seine Baumaterialien sind Biomoleküle, sein Bauobjekt: lebende Zellen. „Wir wollen in der Zelle künstliche Reaktionsräume schaffen und diese passend möblieren“, sagt Schiller. „Dabei lassen wir uns von biologischen Systemen inspirieren. Wir stellen molekulare Bausteine und Komponenten mit neuem Design her, um damit Zellen mit neuen Funktionen auszustatten“, erläutert Schiller. Sein Forschungsgebiet fasst er unter dem Begriff „Bionische Chemie“ oder aber auch: synthetische Biologie. Hierbei versuchen Forscher Zellen mittels molekularbiologischer und biochemischer Tricks zu verändern und sie mit völlig neuen und nützlichen Eigenschaften auszustatten.

Basteln mit Molekülen

Schon als Schüler bastelte der gebürtige Wiesbadener gerne mit Molekülen. Gleich an mehrere Experimentierkästen knüpfte er daheim erste Verbindungen mit der Welt der Chemie. „Mich haben komplexe Moleküle und die Möglichkeiten, diese zu bauen, schon früh fasziniert“, erinnert sich Schiller. In Gießen, Mainz und an der University of Massachusetts in Amherst in den USA studierte er Chemie. Schon hier spezialisierte er sich auf die Synthese von komplexen natürlichen Makromolekülen. 2003 schloss er seine Doktorarbeit am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung ab. Wenig später ging es für Schiller wieder in die USA – diesmal aber an die Westküste – an das renommierte Scripps Institute in La Jolla, die kalifornische Forschungshochburg bei San Diego. Seine vierjährige Postdoc-Zeit absolvierte er bei Peter Schultz, einem Pionier für Protein Engineering, dessen Team an nicht-natürlichen Aminosäuren forscht und auf diese Weise Eiweißmoleküle mit neuen Eigenschaften entwickelt. „Hier habe ich viele molekularbiologische Methoden kennengelernt, aber auch spannende Konzepte wie die am Scripps entwickelte Klick-Chemie“, sagt Schiller. Eine Erkenntnis: „Chemische Synthesen und Biosynthesen schließen sich nicht gegenseitig aus, sie lassen sich zusammenführen.“

Künstliche Räume schaffen

Auf die Idee, eine Zelle mit künstlichen Reaktionsräumen, sogenannten „Designer-Organellen“, auszustatten, kam Schiller in Freiburg. An der Albert-Ludwigs-Universität hat er hier seit 2008 eine eigene Forschergruppe am Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) aufgebaut, die an biohybriden Nanomaterialien forscht. Als Bausteine für die künstlichen Bläschen verwendet das Team neuartige Proteinmoleküle. Deren molekularer Bauplan wird in die Labormikrobe E. coli eingeschleust. „Unsere Bakterienzellen produzieren amphiphile Proteinmoleküle, die sich in der Zelle spontan zu Hohlstrukturen zusammenlagern“, erläutert der Forscher. Die Bläschen sind ihren natürlichen Vorbildern, den Vesikeln, recht ähnlich.