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Ein Bakterien-Genom aus dem Computer

Caulobacter
Das Erbgut des Süsswasserbakteriums Caulobacter crescentus war das Vorbild für das synthetische Genom. (Bild: ETH Zürich)

Dank modernster Technik ist es heute möglich, ganze Genome aus DNA-Bausteinen nachzubauen. Genau dies haben nun Forscher mit dem Erbgut eines Bakteriums gemacht. Das Besondere jedoch: Sie haben den DNA-Code dabei stark verkürzt und vereinfacht – und so ein ganz neues, synthetisches Erbgut erschaffen. Erste Tests belegen, dass ein Großteil der Gene in diesem künstlichen Chromosom funktionsfähig sind. Wird dieses Erbgut einer Bakterienzelle eingepflanzt, würde damit eine ganz neue, künstliche Bakterienart entstehen. Das habe großes Potenzial, werfe aber auch ethische Fragen auf, betonen die Wissenschaftler.

Vor knapp zehn Jahren sorgten US-Forscher um Craig Venter für eine wissenschaftliche Sensation, als sie das erste Bakterium mit einem künstlich hergestellten Genom präsentierten. Die Wissenschaftler hatten das Erbgut dieser Mikrobe zunächst entschlüsselt und dann die DNA Base für Base im Labor nachgebaut. Diese synthetische 1:1 Kopie des Bakteriengenoms pflanzten sie dann einer zuvor von ihrer eigenen DNA befreiten eng verwandten Bakterienart ein. In ihrer neuen Zellheimat erwiesen sich die künstlichen Gene als größtenteils funktionstüchtig und erzeugten erfolgreich Proteine. Diese ersten Zellen mit künstlich hergestelltem Genom galten als weitreichender Durchbruch in der synthetischen Biologie und als erster Schritt hin zu künstlichen Organismen.

Nachgebaut und stark verändert

Jetzt sind Forscher um Beat und Matthias Christen von der ETH Zürich noch einen Schritt weiter gegangen. Denn sie beschränkten sich nicht darauf, ein Bakteriengenom 1:1 nachzubauen, sondern entwarfen weite Teile des von ihnen erstellten Erbguts neu. „In unserem Genom ist die Abfolge der DNA-Bausteine neu und gegenüber der ursprünglichen Abfolge nicht mehr wiederzuerkennen, die biologische Funktion auf Ebene der Proteine bleibt jedoch dieselbe“, sagt Beat Christen. Für ihr Experiment nutzen die Forscher das Erbgut des Süßwasserbakteriums Caulobacter crescentus, das weltweit in vielen Gewässern vorkommt. Das Genom dieser Mikrobe enthält natürlicherweise rund 4000 Gene. Schon vor einigen Jahren hatten jedoch Versuche belegt, dass das Bakterium davon nur rund 680 Gene zum Überleben benötigt.

Dieses Minimalgenom von Caulobacter crescentus bildete den Ausgangspunkt für das aktuelle Experiment. Vor dem Nachbau des Erbguts nutzten die Wissenschaftler einen Computeralgorithmus, um die DNA-Sequenzen drastisch zu vereinfachen und den Code zu vereinheitlichen. Während beispielsweise im natürlichen Genom mehrere Basenabfolgen für das gleiche Protein kodieren, verwendeten die Forscher für ihren Nachbau nur einen dieser Codes. Insgesamt veränderten die Forscher rund ein Sechstel aller 800.000 DNA-Bausteine gegenüber dem natürlichen Vorbild, wie sie berichten. „Unsere Methode ist ein Lackmustest um zu überprüfen, ob wir Biologen die Genetik richtig verstanden haben und sie erlaubt uns, auffällige Wissenslücken zu entdecken“, erklärt Beat Christen. Denn in dem umgeschriebenen Genom ist zwangsläufig nur Information enthalten, welche die Forscher auch verstanden haben.

Genom einer neuen, künstlichen Art

Wegen der starken Abweichungen von seinem natürlichen Vorbild haben die Wissenschaftler ihr Kunstgenom umbenannt – sie gaben ihm einen neuen Artnamen: Caulobacter ethensis 2.0. Unter dieser Bezeichnung ist dieses synthetische und streckenweise umgeschriebene Erbgut nun offiziell in der Datenbank des National Center for Biotechnology Information (NCBI) in den USA eingetragen. Noch allerdings existiert kein Organismus, der mit diesem synthetischen Erbgut lebt. Die Forscher haben aber bereits Bakterienstämme gezüchtet, die jeweils einzelne Teile des künstlichen Genoms enthalten und bei denen dafür Gene ihres natürlichen Erbguts deaktiviert worden sind. Durch diesen schrittweisen Austausch konnte das Team um Christen ermitteln, dass rund 580 der 680 künstlichen Gene in Caulobacterzellen funktionsfähig sind.

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„Auch wenn die derzeitige Genom-Version noch nicht perfekt ist, so zeigt unsere Arbeit dennoch, dass biologische Systeme so einfach aufgebaut sind, dass wir sie in Zukunft am Computer nach unseren Zwecken definieren und anschließend bauen können“, sagt Matthias Christen. Mit dem nun gewonnenen Wissen werde es möglich sein, den Algorithmus zu verbessern und eine voll funktionsfähige Genom-Version 3.0 zu entwickeln. „Wir glauben, dass es bald auch möglich sein wird, aus einem solchen Genom funktionsfähige bakterielle Zellen herzustellen“, ergänzt Beat Christen. Noch ist zwar unklar, wann es dieses erste Bakterium mit künstlichem Genom geben wird – klar ist jetzt aber, dass es entwickelt werden kann und wird.

Potenzial, aber auch ethische Fragen

Damit hat diese Technologie großes Potenzial, wirft aber auch ethische Fragen auf. „So vielversprechend die Forschungsresultate und möglichen Anwendungen auch sind, verlangen sie eine tiefgreifende gesellschaftliche Diskussion darüber, zu welchen Zwecken diese Technologie angewandt werden darf, und damit verbunden, wie Missbräuche verhindert werden können“, sagt Beat Christen. So könnten mithilfe solcher synthetischer Genome Mikroben produziert werden, die Medikamente, Impfstoffe und andere nützliche Biomoleküle erzeugen. Andererseits aber stellen solche künstlichen Lebensformen einen erheblichen Eingriff in die Natur und Evolution dar – und die langfristigen Folgen sind bisher nicht überschaubar.

Quelle: Jonathan Venetz (ETH Zürich) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), doi: 10.1073/pnas.1818259116

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