Meilenstein: Das erste künstliche Chromosom - wissenschaft.de
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Meilenstein: Das erste künstliche Chromosom

14-03-27  Chromosom.jpg
Illustration by Lucy Reading-Ikkanda
Schon lange versuchen Wissenschaftler, dem Code der Schöpfung seine Geheimnisse zu entlocken und die Prinzipien der Genetik für den Menschen nutzbar zu machen. Nun vermelden internationale Forscher einen Meilenstein im Bereich der sogenannten synthetischen Biologie: Sie haben ein Chromosom der Backhefe künstlich nachgebaut, das Original in der Hefe ersetzt und schließlich die Funktionsfähigkeit der synthetischen Version nachgewiesen. Das Besondere: Es handelt sich bei der Hefe im Gegensatz zu Bakterien um ein eukaryontisches Lebewesen zu denen alle Pilze, Pflanzen und Tiere gehören. Die Ergebnisse könnten zu neuen Erkenntnissen über die Funktion von Genen bei Eukaryoten führen und auch zu besseren Produktionsverfahren von Biotreibstoffen und Medikamenten.

Die synthetische Biologie hat in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht: Forschern ist es bereits gelungen, lebensfähige Bakterien mit künstlichem Erbgut herzustellen. Doch Eukaryoten stellen eine weit größere Herausforderung dar, denn ihr genetisches Konzept ist deutlich komplexer. Ihr Erbgut sitzt in einem Zellkern und ist auf Chromosomen aufgeteilt. Die Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) besitzt 16 dieser genetischen Strukturen. Die Forscher um Jef Boeke von der Johns Hopkins University in Baltimore haben sich für ihre Arbeiten das Chromosom III ausgesucht. Es handelt sich um das am wenigsten umfangreiche Chromosom der Hefe – es umfasst nur 2,5 Prozent der zwölf Millionen genetischen Bausteine des gesamten Genoms.

Zuerst entwickelten die Forscher am Computer das Konzept von synIII, wie sie ihre künstliche Version des Chromosoms III nannten. Dabei eliminierten sie gezielt Teile des natürlichen Vorbildes, um synIII klein und handlich zu machen. Es handelte sich dabei um sogenannte repetitive Sequenzen, die zwischen den informationstragenden Genen sitzen. Danach wurde der Computerbauplan umgesetzt: Aus künstlich hergestellten Nucleotiden, den Einzel-Bausteinen der DNA, strickten die Wissenschaftler mittels modernster Verfahren der Genetik das synthetische Chromosom synIII. Sie versahen dabei seine Gene mit speziellen Markern, die eine nachträgliche Identifizierung und Manipulation ermöglichen.

Der erste Schritt zu Hefe mit komplett künstlichem Genom

Nach der erfolgreichen Synthese ersetzten die Wissenschaftler das natürliche Chromosom III der Hefe durch synIII und untersuchten die Effekte. Es zeigte sich, dass es offenbar problemlos die Funktion seines natürlichen Vorbildes in dem Organismus übernehmen kann: Die Hefe mit dem künstlichen Erbgutträger entwickelte sich normal und zeigte die gleichen Eigenschaften wie normale Hefe. Durch gezielte Manipulationen der markierten Gene auf synIII konnten die Forscher außerdem bereits zeigen, dass sich mit Hilfe des Verfahrens bestimmte Eigenschaften der Hefe gezielt verändern lassen.

„Es handelt sich bei der Backhefe um einen Organismus, den der Mensch bereits seit Jahrtausenden für seine Zwecke nutzt – sei es zum Brotbacken oder um Alkohol herzustellen“, sagt Jef Boeke. Auch in der modernen Genetik repräsentiert die Hefe bereits seit langem einen vergleichsweise einfach gebauten Modellorganismus für die Eukaryoten. Durch genetische Manipulation konnte man sie auch schon zur Produktion vieler Substanzen nutzen, die Bakterien nicht herstellen können. Diese Möglichkeiten könnten die neuen Ergebnisse nun deutlich erweitern. Es handelt sich um den ersten Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines komplett künstlichen Hefe-Genoms. Dies könnte nicht nur das Wissen im Bereich der Genetik der Eukaryoten bereichern, sondern auch zu ganz praktischen Nutzungsmöglichkeiten führen, sagen die Wissenschaftler.

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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 künstlich veränderten Eigenschaften können natürlich auch ein Gefahrenpotential darstellen.

Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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