Japanisches Team erzeugt Hybridzellen aus Algen und Tieren; Photosynthese bleibt vorerst ein Zukunftsziel

Ein Algengenom findet in tierischen Zellen ein Zuhause

Japanische Forscher haben Hybridzellen geschaffen, die ein vollständiges Algengenom in Säugetierzellen enthalten. Damit rückt eine ambitionierte Idee näher: Tierischen Zellen einige nützliche Eigenschaften von Pflanzen zu verleihen. Laut einer Mitteilung der Universität teilten sich die Zellen über mehr als 150 Generationen hinweg, konnten jedoch keine Photosynthese betreiben.

Die am 12. November 2026 in Nature Communications veröffentlichte Studie kombinierte eine winzige Rotalge namens Cyanidioschyzon merolae mit Zellen chinesischer Hamster und menschlichen Zellen. In der vollständigsten Hybridzelle aus Hamsterzellen deckte das sequenzierte Material 100 % des Algengenoms ab. Mehr als 95 % der übertragenen Algengene waren jedoch inaktiv.

Zum Team gehörten Forscher der Universität Tokio, des Institute of Science Tokyo und der Kindai-Universität. Die Studie in Nature Communications mit dem Titel Epigenetic gatekeeping enables genome-scale horizontal gene transfer in eukaryotic cells beschreibt, wie tierische Zellen große Mengen fremder DNA aufnehmen können, indem sie diese chemisch markieren und ihre Aktivität unterdrücken.

Die Ergebnisse verknüpfen zwei Herausforderungen, denen sich die Forscher nun gemeinsam stellen müssen. Tierische Zellen müssen die importierten genetischen Anweisungen bei wiederholten Zellteilungen bewahren. Zugleich müssen sie ausgewählte Anweisungen aktivieren, damit die betreffenden Gene nützliche Funktionen erfüllen können.

Das Team nennt die Hybridzellen „Planimalzellen“, eine Verbindung der Wörter „Pflanze“ und „Tier“. Sachihiro Matsunaga, Professor an der Universität Tokio, schlug das Konzept 2018 vor. Denkbare Anwendungen sind Zellen, die mithilfe von Licht Sauerstoff, Medikamente oder Lebensmittelzutaten produzieren. Der unmittelbare Erfolg besteht in einer stabilen genetischen Kombination: Die Algenchloroplasten, also die Strukturen, in denen Photosynthese stattfindet, wurden bei der Fusion abgebaut.

Warum diese winzige Alge ausgewählt wurde

Cyanidioschyzon merolae, auch Schyzon genannt, wurde in sauren heißen Quellen in Italien entdeckt. Die Alge hat keine Zellwand und eignet sich daher als Partner für ein Experiment, bei dem Zellmembranen miteinander verschmelzen müssen.

Für einen photosynthesefähigen Organismus hat Schyzon außerdem ein ungewöhnlich kompaktes Genom. Seine Kern-DNA enthält etwa 16,5 Millionen Basenpaare, also gepaarte chemische Buchstaben, die genetische Informationen codieren. Das im Vergleich herangezogene Säugetiergenom umfasst etwa 2,4 Milliarden Basenpaare, rund 145-mal so viele.

Die Forscher verwendeten Eierstockzellen chinesischer Hamster, genauer gesagt die Zelllinie CHO-K1, sowie menschliche HT-1080-Zellen. CHO-Zellen werden bereits in der Arzneimittelproduktion eingesetzt. HT-1080 ist eine Laborzelllinie, die von einem menschlichen Bindegewebskrebs abstammt.

Mit den beiden Wirtszellen konnte das Team untersuchen, wie verschiedene Säugetierzellen mit demselben fremden Erbmaterial umgehen. Hamsterzellen behielten größere Teile des Algengenoms als menschliche Zellen.

Wie das Team die Zellen zusammenbrachte

Die Forscher verwendeten Polyethylenglykol, eine Chemikalie, die Zellmembranen bei der Fusion unterstützt. Die Säugetierzellen im Experiment waren etwa 50 Mikrometer groß, verglichen mit etwa fünf Mikrometern bei Schyzon. Daher konnte eine einzelne Säugetierzelle mit zwei oder mehr Algenzellen fusionieren.

Die Algen trugen gentechnisch veränderte Marker. Einige erzeugten Fluoreszenzsignale, mit denen das Team DNA in lebenden Zellen verfolgen konnte. Andere verliehen Resistenz gegen das Antibiotikum Blasticidin und halfen den Forschern so dabei, Säugetierzellkolonien zu erkennen und zu vermehren, die die markierte Algen-DNA aufgenommen hatten.

Bereits sechs Stunden nach der Fusion waren Fluoreszenzsignale im Zytoplasma der Säugetierzellen zu sehen, also in dem Bereich um den Zellkern. Signale, die auf eine Aktivität des übertragenen Reportergens im Säugetierzellkern hindeuteten, ließen sich nach etwa 24 Stunden nachweisen.

Die Beobachtungen folgten einer kurzen Abfolge:

• 2018: Matsunaga schlägt das Konzept der Planimalzelle vor.
• Sechs Stunden nach der experimentellen Fusion: Im Zytoplasma aller 19 untersuchten Zellen werden Fluoreszenzsignale festgestellt.
• 24 Stunden nach der Fusion: In 13 von 21 untersuchten Zellen werden Reportersignale im Zellkern nachgewiesen.
• 48 Stunden nach der Fusion: Alle 19 in diesem Stadium untersuchten Zellen zeigen deutliche Reportersignale im Zellkern.
• 12. November 2026: Die Studie und die Mitteilung der beteiligten Einrichtungen werden veröffentlicht.

Fusion war deutlich erfolgreicher als das Aufnehmen von Algen

Das Team untersuchte auch, ob Säugetierzellen Algen-DNA aufnehmen können, indem sie intakte Algen in sich einschließen. Dieser Vorgang wird Phagozytose genannt. Vereinfacht gesagt nimmt die Empfängerzelle dabei Material aus ihrer Umgebung auf.

Beide Verfahren führten zu gegen Blasticidin resistenten Zellkolonien, doch die Ausbeute unterschied sich stark. Bei jeweils 12 Millionen Zellen ergab das Einschließen durchschnittlich 3,7 resistente Kolonien, die Zellfusion dagegen 3.098,7. Demnach führte die Fusion zu etwa 837-mal so vielen resistenten Kolonien.

Für die anschließenden detaillierten Experimente verwendeten die Forscher deshalb die Fusion. Die Ergebnisse zur Phagozytose blieben wissenschaftlich wertvoll, weil sie einen Laboransatz boten, um zu untersuchen, wie DNA eines Organismus, der in eine andere Zelle aufgenommen wurde, vererbt und an die Empfängerzelle weitergegeben werden kann.

Auch der Transport zum Zellkern spielte eine Rolle. Als die Forscher Dynein hemmten, ein Motorprotein, das Material entlang von Bahnen in der Zelle transportiert, blieb das fluoreszierende Material bis nach 48 Stunden im Zytoplasma; das Reportersignal im Zellkern fehlte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Transportmaschinerie der Empfängerzelle dabei hilft, die fremde DNA zum Zellkern zu bringen.

Wie viel Algen-DNA blieb erhalten?

Die Forscher etablierten 18 stabile Zelllinien aus Hamsterzellen und 13 aus menschlichen Zellen. Eine Zelllinie ist eine Population, die von Zellen abstammt, die sich im Labor vermehren und untersuchen lassen. Die menschlichen Zelllinien wurden durch Fusion gewonnen; bei den Hamsterzelllinien kamen sowohl Fusion als auch Phagozytose zum Einsatz.

Die Genomsequenzierung in der 20. Generation zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Verfahren und den Wirtszellen. Hamsterzelllinien aus dem Phagozytose-Experiment behielten bis zu 48,9 % des Algengenoms, im Durchschnitt 30,2 %. Bei durch Fusion entstandenen Hamsterzelllinien waren es bis zu 100 %, im Durchschnitt 55,8 %.

Menschliche Fusionszelllinien behielten bis zu 66 % des Algengenoms, im Durchschnitt 14,9 %. Der Nachweis des vollständigen Genoms gelang somit bei einer bestimmten Hamsterzelllinie namens CHO-Cm7.

Bei einer detaillierten Rekonstruktion von CHO-Cm7 wurden 16,3 Millionen Basenpaare Algen-DNA erfasst. Das entsprach 98,76 % des Referenzgenoms und 5.345 annotierten Algengenen. Die Angabe von 100 % bezieht sich auf die Abdeckung beim Abgleich der Sequenzierdaten mit dem Referenzgenom; die Angabe von 98,76 % bezeichnet die im rekonstruierten Genom wiederhergestellte Sequenz.

Fremde Chromosomen wurden zu dauerhaften Bewohnern

Die übertragene DNA umfasste große Chromosomenabschnitte und intakte Algenchromosomen. Chromosomen sind DNA-Pakete, die Zellen bei der Teilung kopieren und verteilen. Bei der detaillierten Rekonstruktion des Hamstergenoms blieben sechs Algenchromosomen als durchgehende, unfragmentierte Abschnitte erhalten.

Unter dem Mikroskop lag ein Großteil der Algen-DNA nahe dem Ende des kurzen Arms eines Hamster-X-Chromosoms. Weitere Analysen ergaben, dass Algenchromosomen über Telomere miteinander verbunden waren, also über die wiederholten DNA-Sequenzen an den Chromosomenenden. Bei einer menschlichen Hybridzelllinie bestätigte das Team mithilfe mehrerer Sequenzierverfahren eine Verbindungsstelle zwischen Algen-DNA und einem menschlichen Chromosom.

In der Forschungsmitteilung der Kindai-Universität heißt es, die Hybridzellen hätten sich über mehr als 150 Generationen hinweg geteilt und dabei Algen-DNA bewahrt. Die Studie beschreibt außerdem, dass die DNA über 95 Generationen ohne Antibiotikaselektion erhalten blieb. In diesem Versuch wurde geprüft, ob die fremde DNA bestehen bleibt, wenn die Zellen den eingefügten Resistenzmarker nicht mehr benötigen, um das Antibiotikum zu überleben.

Die Forscher zählen diese Generationen als Zellteilungen, nicht als Übertragungen zwischen Kulturgefäßen. Der dauerhafte Erhalt ist wichtig, denn gentechnisch veränderte Zellen mit praktischem Nutzen müssen ihr neues Erbmaterial bei der Vermehrung an die Tochterzellen weitergeben.

Die Stilllegung half, die fremde DNA zu erhalten

Laut der Mitteilung der beteiligten Einrichtungen waren mehr als 95 % der Algengene in den Hybridzellen inaktiv. Die Säugetierzellen der Empfänger markierten die importierte DNA chemisch und verpackten sie in einer verdichteten Form, die mit einer verringerten Genaktivität einhergeht.

Die DNA-Methylierung ist einer dieser Markierungsprozesse. Dabei werden kleine chemische Gruppen an die DNA angehängt, ohne die Reihenfolge ihrer genetischen Buchstaben zu verändern. Die Markierungen können steuern, ob die Anweisungen eines Gens genutzt werden.

Die verdichtete DNA bildete Heterochromatin, eine eng gepackte Anordnung aus DNA und zugehörigen Proteinen. Als anschaulicher Vergleich bietet sich eine Sammlung von Anleitungsbüchern an, bei denen die meisten Seiten geschlossen sind: Die Informationen bleiben vorhanden, sind aber nur eingeschränkt zugänglich.

Als das Team Hamsterzellen verwendete, denen ein Enzym für das Anbringen neuer Methylierungsmarkierungen fehlte, entstanden stabile Hybridzellen seltener und die übertragene Algen-DNA ging leichter verloren. Die Forscher bezeichnen diesen Prozess, bei dem fremde DNA aufgenommen und zugleich in ihrer Aktivität gebremst wird, als epigenetische Kontrolle. Darin liegt die zentrale Erkenntnis der Studie: Die Maschinerie, die fremde Gene stilllegt, hilft der Empfängerzelle zugleich, sie zu bewahren.

Warum die Photosynthese noch ausbleibt

Die Hybridzellen behielten die genetischen Informationen der Algen, doch ihre Chloroplasten wurden bei der Fusion abgebaut. Für Photosynthese sind funktionsfähige Chloroplasten und das koordinierte Zusammenspiel der sie unterstützenden Gene nötig. In den neuen Zellen gingen die Chloroplasten verloren, und die meisten Algengene wurden abgeschaltet.

Chloroplasten nutzen Licht, um Reaktionen anzutreiben, bei denen Sauerstoff aus Wasser freigesetzt wird und die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenhydrate, darunter Zucker, unterstützt wird. Diese Kohlenhydrate speichern Energie, die Zellen nutzen können.

Matsunagas Team hatte zuvor unter besonderen Kulturbedingungen Schyzon-Chloroplasten in Hamsterzellen eingebracht. Erste Photosynthesereaktionen wurden nachgewiesen, doch das System ließ sich nur schwer über wiederholte Zellteilungen hinweg erhalten. Diese Erfahrung trug dazu bei, den Versuch anzustoßen, auch das Algengenom zu übertragen.

Matsunaga, Professor an der Graduate School of Frontier Sciences der Universität Tokio, beschrieb das nächste Ziel in aus dem Japanischen übersetzten Kommentaren:

Als Nächstes wollen wir Chloroplasten einbringen und auch die Schyzon-Gene in Gang setzen, damit bei der Photosynthese Sauerstoff entsteht.

Laut der Mitteilung der beteiligten Einrichtungen wollen die Forscher Verfahren entwickeln, mit denen sich gezielt Gene für die Photosynthese oder die Herstellung nützlicher Substanzen aktivieren lassen. Die technische Aufgabe besteht darin, die durch die Unterdrückung der Gene erreichte Stabilität zu bewahren und zugleich ausgewählte Funktionen zu ermöglichen.

Was sich dadurch für Lebensmittel und Medikamente ändern könnte

Kultiviertes Fleisch ist eine mögliche Anwendung. Tierische Zellen, die für Lebensmittel gezüchtet werden, benötigen Nährstoffe und Sauerstoff. Könnten Forscher solche Zellen mit einer dauerhaften Photosynthesefähigkeit ausstatten, könnten sie selbst einige nützliche Substanzen oder Sauerstoff produzieren und so möglicherweise den Bedarf an bestimmten Bestandteilen verringern, die für das Wachstum einer Zellkultur benötigt werden.

Eine weitere denkbare Anwendung ist die Arzneimittelproduktion, zumal CHO-Zellen bereits als Produktionsstätten für Medikamente und nützliche Proteine dienen. In der Mitteilung der beteiligten Einrichtungen wird außerdem die Möglichkeit therapeutischer menschlicher Zellen genannt, die in sauerstoffarmen Umgebungen Sauerstoff herstellen, sowie von tierischen Zellen, die Kohlendioxid binden.

Diese Anwendungen setzen weitere Experimente voraus. Ein Zeitplan für eine dauerhafte Photosynthese, die Lebensmittelproduktion oder die Entwicklung einer Behandlung wurde nicht genannt. Die Studie berichtet über DNA-Übertragung, -Erhalt und -Regulierung; die angestrebten Produktionsvorteile sind noch Ziele künftiger Forschung.

Die Forschung eröffnet auch einen anderen Ansatz für die Zelltechnik. Statt einzelne Gene nacheinander einzubringen, könnten Wissenschaftler zunächst eine große Sammlung genetischer Anweisungen übertragen und anschließend die benötigten Funktionen aktivieren. Die unmittelbare Frage ist, welche Algengene sich einschalten lassen, während die Hybridzellen zuverlässig weiterwachsen.

Die wichtigsten Punkte

• Ein japanisches Team fusionierte Rotalgen mit Hamster- und menschlichen Laborzellen und schuf Hybridzellen, die große Mengen Algen-DNA behielten.
• Eine Hamsterzelllinie behielt Material, das das gesamte Algengenom abdeckte; menschliche Zelllinien behielten bis zu 66 %.
• Laut der Mitteilung der beteiligten Einrichtungen teilten sich die Zellen über mehr als 150 Generationen hinweg. Die Studie beschreibt außerdem, dass die DNA über 95 Generationen ohne Antibiotikaselektion erhalten blieb.
• Mehr als 95 % der Algengene waren inaktiv, und die DNA-Methylierung half den Zellen, das fremde Erbmaterial aufzunehmen.
• Die Hybridzellen konnten keine Photosynthese betreiben, weil die Chloroplasten abgebaut wurden und die meisten Algengene inaktiv blieben.
• Sauerstoffproduktion, kultiviertes Fleisch und die Arzneimittelherstellung sind denkbare Anwendungen; ein Zeitplan für die Entwicklung wurde nicht bekannt gegeben.