Bald kommt das künstliche Hefe-Genom

Der Mensch macht sich die "Informatik des Lebens" immer mehr zu eigen. (Illustration: Chris Bickel / Science, 2017)

30 Prozent des Genoms der Hefe liegen nun in künstlicher Form vor, berichten Forscher. Fünf neue Chromosomen haben sie in der letzten Zeit "gebastelt" – damit sind es nun insgesamt sechs. Schon bald könnten sie demnach das große Ziel erreichen: Dem ersten eukaryotischen Lebewesen ein komplett synthetisch nachgebautes Erbgut verpassen zu können. Dies könnte zu einem besseren Verständnis der Funktion von Genen höherer Lebewesen führen und damit auch zu vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten, sagen die Wissenschaftler.

Es handelt sich zwar um winzige Einzeller - doch die Hefe unterscheidet sich von Bakterien in entscheidender Weise: Sie gehört wie die Pflanzen und Tiere zu den komplexeren Lebewesen – den Eukaryoten. Ihr Erbgut sitzt in einem Zellkern und ist auf Chromosomen aufgeteilt. Die Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) besitzt 16 dieser genetischen Strukturen. Genau diese stehen im Fokus des internationalen Synthetic Yeast Project unter der Leitung von Jef Boeke von der Johns Hopkins University in Baltimore.

Fünf weitere Chromosomen "gestrickt"

Im Rahmen der synthetischen Biologie versuchen Wissenschaftler, Zellen mit Erbgut auszurüsten, das komplett oder teilweise durch technische Sequenzierverfahren im Labor hergestellt wurde. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet das: Man entnimmt einer Zelle ihr Erbgut, ersetzt es durch das künstliche und überprüft dann, ob das Wesen damit leben kann. In den vergangenen Jahren gab es auf diesem Gebiet enorme Fortschritte: Forschern ist es gelungen, lebensfähige Bakterien mit komplett künstlichem Erbgut herzustellen.

Doch Eukaryoten stellen eine weit größere Herausforderung dar, da ihr genetisches Konzept vergleichsweise komplex ist. Im März 2014 vermeldete das Synthetic Yeast Project dann allerdings den Durchbruch: Die Forscher hatten das erste Chromosom der Backhefe künstlich nachgebaut, damit das Original in der Hefe ersetzt und schließlich die Funktionsfähigkeit der synthetischen Version nachgewiesen.

Nun berichten sie in sieben Publikationen im Wissenschafts-Magazin "Science" von den Fortschritten seit 2014. Zu dem ersten Chromosom synIII sind nun fünf weitere hinzugekommen: synII, synV, synVI, synX, und synXII. Es handelt sich bei diesen synthetischen Versionen nicht um exakte Kopien der natürlichen Chromosomen. Die Forscher eliminierten bestimmte Teile, um die neuen Erbgutträger möglichst schlank zu gestalten. Sie sparten dabei sogenannte repetitive Sequenzen aus, die zwischen den informationstragenden Genen sitzen.

Ziel: Die "Informatik des Lebens" verstehen und nutzen

Danach wurde der theoretische Bauplan in die Realität umgesetzt: Aus künstlich hergestellten Nukleotiden, den Einzel-Bausteinen der DNA, strickten die Wissenschaftler zunächst Stücke. Aus ihnen entstanden dann die vollständigen Erbgutträger, die in den Zellkernen der Hefe ihre Funktion aufnahmen. So entstanden bereits Hefestämme mit nicht nur einem, sondern bis zu drei künstlichen Chromosomen. Die Experimente zeigten dabei, dass sogar drastisch veränderte Chromosomen Hefen das Leben ermöglichen können.

Den Forschern zufolge könnten die aktuellen Fortschritte nun schon bald zu einer lebensfähigen Hefe mit einem vollständig synthetischen Genom führen. In der modernen Genetik repräsentiert sie bereits seit langem einen vergleichsweise einfach gebauten Modellorganismus für die Eukaryoten. Durch genetische Manipulation konnte man sie  schon zur Produktion vieler Substanzen nutzen, die Bakterien nicht herstellen können. Ein komplett synthetisches Genom könnte nun allerdings das Wissen im Bereich der Genetik der Eukaryoten noch deutlich erweitern und auch zu praktischen Nutzungsmöglichkeiten führen, sagen die Wissenschaftler.

Hefen mit künstlichen genetischen Eigenschaften könnten beispielsweise die Produktion von Bio-Treibstoffen revolutionieren oder neuartige Medikamente hervorbringen, von denen die moderne Medizin bisher nur träumt. Die synthetische Biologie bleibt allerdings wie auch die Gentechnik ein Gebiet, das bei vielen Menschen ein mulmiges Gefühl hinterlässt. Denn Organismen mit stark veränderten Eigenschaften können natürlich auch ein Gefahrenpotential darstellen.

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