Bakterium mit künstlichen DNA-Buchstaben

Zwei synthetische Basen ergänzen die vier natürlichen Basen der DNA (cosmin/iStock)

Das Alphabet des Lebens besteht aus vier Buchstaben – und das schon seit Entstehen der ersten lebenden Zelle. Doch jetzt haben Forscher ein Bakterium kreiert, dessen genetischer Code sechs Buchstaben enthält. Er besitzt zwei zusätzliche, künstliche DNA-Basen. Im Gegensatz zu früheren Versuchen ist dieser semisynthetische Organismus unter normalen Bedingungen lebensfähig und gibt seine künstlichen DNA-Bausteine an seine Nachkommen weiter. Das ist ein Fortschritt für die synthetische Biologie, weckt aber auch Befürchtungen.

Egal ob Einzeller, Pflanze oder Tier: Alle Lebewesen auf der Erde geben ihre genetische Information mit einem aus vier Molekülbuchstaben bestehenden Code weiter. Die Abfolge der Basen Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin in der DNA kodiert die Baupläne für Proteine und unzählige Steuermoleküle unseres Zellstoffwechsels. Doch schon seit längerem arbeiten Forscher daran, diesen genetischen Code zu erweitern. Zusätzliche DNA-Buchstaben, so ihr Beweggrund, würden die Menge an Information erhöhen, die unser Erbmolekül speichern kann und die Möglichkeit schaffen, ganz neue Organismen und Biomoleküle zu erzeugen. Was fast schon nach einem genetischen Frankenstein klingt, schien zunächst ohnehin nicht machbar. 2014 gelang es Floyd Romesberg vom Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla und seinem Team jedoch, erstmals zwei synthetische DNA-Buchstaben in den Code des Darmkeims Escherichia coli einzuschleusen. Doch diese halbkünstlichen Mikroben waren nur bedingt lebensfähig. "Diese semisynthetischen Organismen waren zwar ein wichtiger Beweis der grundsätzlichen Machbarkeit, aber die Mikroben wuchsen schlecht, benötigten spezielle Bedingungen und schafften es selbst dann nicht, die unnatürliche Information längere Zeit zu behalten", erklären Romesberg und seine Kollegen.

Die Forscher haben seither weiter an der Erzeugung semisynthetischer Lebewesen gearbeitet. Jetzt berichten sie von einem weiteren Fortschritt: Ihnen ist die Produktion von Escherichia coli-Keimen gelungen, deren genetischer Code sechs Basen-Buchstaben enthält – und diese auch zuverlässig weitergibt. Gleichzeitig nimmt diese halbkünstliche Mikrobe von selbst die Molekülbausteine aus seiner Umwelt auf, die es für die Konstruktion und den Einbau der beiden zusätzlichen künstlichen DNA-Basen benötigt. "Wir haben einen semisynthetischen Organismus erschaffen, der autonomer ist als sein Vorgänger und der die zusätzliche Information fast genauso dauerhaft speichert wie die natürlichen DNA-Komponenten", berichten Romesberg und seine Kollegen. "Im Gegensatz zu jedem natürlichen Lebewesen aber trägt dieser Organismus eine menschengemachte Komponente: Ein nichtnatürliches Basenpaar, das es ihm erlaubt, Informationen nun mit einem aus sechs Buchstaben bestehenden genetischen Alphabet zu speichern."

Zwei DNA-Basen zusätzlich

Um diesen semisynthetischen Organismus zu schaffen, veränderten die Forscher zunächst eine der beiden künstlichen Basen, die sie beim Vorgänger verwendet hatten. Statt der Base d5SICS schleusten sie das ähnlich strukturierte Molekül dTPT3 in ein Plasmid des Bakteriums Escherichia coli ein. Als Gegenpart diente wie beim Vorgänger die künstliche Base dNaM. Die ringförmige DNA des Plasmids enthielt nun an mehreren Stellen des Codes dieses dritte, künstliche Basenpaar. Um das Bakterium dazu zu bringen, diese künstlichen Basen fortan auch selbst zu synthetisieren und bei der Zellteilung in die Nachkommen einzubauen, schleusten sie ein zusätzliches Gen in das Bakterienerbgut ein. Dieses enthält die Bauanleitung für ein Transportermolekül, das die Aufnahme der Bausteine für die künstlichen Basen aus der Umwelt und deren Einbau in die DNA fördert, wie die Forscher berichten.

Und noch eine Veränderung machten sie: Die Mikrobe produziert nun ein Enzym, das alle Genkopien ohne die künstlichen Basenpaare zerstört. "Dadurch blieben bei der Bakterienvermehrung nahezu 100 Prozent der nichtnatürlichen Basenpaare in der DNA erhalten – und das nahezu unbegrenzt lange", so Romesberg und seine Kollegen. Auch nach 60 Zellteilungen der semisynthetischen Bakterien gab es so gut wie keine Verluste bei den künstlichen Basenpaaren, wie ihre Versuche ergaben. Die Wachstumsrate dieser "Frankenstein"-Mikroben war zudem nur wenig geringer als die von normalen Escherichia coli, sie sank um maximal 17 Prozent.

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist ihre semisynthetische Mikrobe ein wichtiger – und positiver – Fortschritt. "Dieser optimierte semisynthetische Organismus liefert uns nun eine geeignete Plattform, um Lebewesen mit völlig unnatürlichen Eigenschaften und Funktionen zu schaffen, die es in der Natur nicht gibt", konstatieren die Forscher. Über potenzielle negative Folgen solcher aufgerüsteten Lebensformen äußern sie sich dagegen nicht. Doch bisher ist es völlig unklar, welche Risiken beispielsweise eine unkontrollierte Freisetzung solcher "Frankenstein"-Mikroben mit sich bringen könnten – und wie die Erzeugung von potenziell gefährlichen Organismen kontrolliert werden kann. Wie bei einigen anderen biotechnologischen Methoden auch ist hier die Forschung der ethischen und rechtlichen Debatte voraus.

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