Leben auf minimales Erbgut reduziert

Welche Sequenzen lassen sich aus dem Genom streichen? (Bild: Credit: C. Bickel / Science, 2016)

Vom riesigen Blauwal bis zum mikroskopischen Bakterium – der Bauplan aller Lebewesen ist durch die Abfolge von vier Basenpaaren in ihrem Erbgut codiert. Nun haben Forscher das bisher kleinste Genom synthetisiert, das Leben ermöglichen kann: 531.000 Basenpaare, die 473 Gene bilden, können einem Bakterium demnach noch einen Stoffwechsel und Vermehrungsfähigkeit verleihen. Von rund einem Drittel dieser Gene ist allerdings die Funktion noch unbekannt. Anhand des neuen Bakteriums mit dem Minimal-Genom wollen die Forscher nun die Grundlagen des Lebens weiter entschlüsseln.

Des Team um den US-amerikanischen Biochemiker Craig Venter sorgte bereits im Jahr 2010 für Schlagzeilen: Es war ihnen gelungen, lebensfähige Bakterien mit einem vollständig künstlich nachgebauten Genom zu erschaffen. Die Forscher hatten das Erbgut des Bakteriums Mycoplasma mycoides Basenpaar für Basenpaar durch spezielle gentechnische Verfahren nach-synthetisiert. Anschließend pflanzten sie dieses im Labor erstellte Erbgut in Zellen des eng verwandten Bakteriums Mycoplasma capricolum ein, dessen eigenes Erbgut sie zuvor entfernt hatten. Die Empfänger setzten die neue "Bio-Software" schließlich tatsächlich um: Die Mycoplasma capricolum Zellen wurden zu den künstlichen Mycoplasma mycoides Bakterien mit der Bezeichnung JCVI-syn1.0.

Welche Gene sind absolut lebensnotwendig?

Für ihre aktuelle Studie sind die Forscher nun der Frage nachgegangen: Wie weit lässt sich das JCVI-syn1.0-Genom abspecken - welche Erbanlagen sind unbedingt nötig, um Leben in seiner simpelsten Form zu ermöglichen? Abgesehen von ungenutzten Sequenzen im Erbgut  gibt es bei allen Lebewesen nämlich viele Gene, deren Funktionen nicht für die fundamentalen Lebensvorgänge benötigt werden. Was das betrifft, ist das Genom von Mycoplasma bereits ein Rekord-Minimalist. Doch wie die Forscher nun zeigen konnten, ließ sich noch viel Genmaterial streichen.

Um herauszufinden, welche Gene bezüglich der Grundfunktionen verzichtbar sind, löschten die Forscher ein Gen nach dem anderen und überprüften, ob die Bakterien ohne die jeweilige Erbanlage noch leben konnten. Stellte sich ein Gen als fürs Überleben verzichtbar heraus, schnitten sie es aus dem Genom. Am Ende dieses genetischen Abspeckens stand schließlich ein Erbgut, das nur noch 473 Gene umfasst – etwa die Hälfte des Ausgangsgenoms. Es handelt sich um das kleinste Erbgut, das noch selbstständiges Überleben ermöglicht. Die Bakterien, denen es Leben einhaucht, tragen nun die Bezeichnung JCVI-syn3.0.

Großes Forschungspotenzial

Die 473 Gene des Gentech-Organismus bieten nun viel weiteres Forschungspotenzial: Obwohl sie offenbar so fundamental wichtig sind, ist bei 31 Prozent von ihnen die biologische Funktion noch nicht bekannt, berichten die Forscher. Bisher könnten sie nur feststellen, dass diese Erbanlagen offenbar auch in anderen Lebewesen vorkommen. Dies scheint zu belegen, dass diese Gene tatsächlich fundamentale biologisch Funktionen vermitteln.

Neben der Erforschung der Grundlagen der Biologie und Evolution repräsentiert JCVI-syn3.0 nun auch einen Meilenstein im jungen Forschungszweig der Synthetischen Biologie. Anwendungsmöglichkeiten für Mikroorganismen mit künstlich zusammengebautem Erbmaterial gibt es viele: Von Medikamenten bis zu Biokraftstoffen könnten die "Schöpfungen" aus dem Labor viele begehrte Stoffe produzieren. Kritiker warnen allerdings auch vor den möglichen Risiken, welche diese neue Technologie birgt: Terroristen könnten beispielsweise Biokampfstoffe herstellen oder künstliche Organismen könnten sich in der Umwelt breitmachen, so die Befürchtungen.

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