Forscher erschaffen Designer-Mikrobe mit vier Millionen Basenpaaren großem Erbgut Bakterium mit größtem künstlichen Genom - scinexx | Das Wissensmagazin
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Bakterium mit größtem künstlichen Genom

Forscher erschaffen Designer-Mikrobe mit vier Millionen Basenpaaren großem Erbgut

E coli
Die E. coli-Bakterien der Forscher besitzen ein am Computer generiertes Genom. © Christop Burgstedt/ istock

Künstliche Lebensform: Forscher haben E. coli-Bakterien mit einem neuen, künstlichen Genom ausgestattet. Das synthetische Erbgut besteht aus vier Millionen Basenpaaren und unterscheidet sich vom natürlichen Vorbild in mehr als 18.000 Positionen. Damit besitzen die neu geschaffenen Mikroben das größte künstliche Genom, das jemals einem Lebewesen eingesetzt wurde.

Die Erschaffung künstlicher, maßgeschneiderter Lebensformen ist ein Traum vieler Gentechniker. Etliche Fortschritte in der synthetischen Biologie haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass Wissenschaftler solchen „Designer-Organismen“ immer näherkommen.

Vier Millionen Basenpaare

Bereits 2010 gelang es dem Gentechnik-Pionier Craig Venter, das Erbgut eines Bakteriums synthetisch nachzubauen und lebenden Mikroben einzupflanzen. Seitdem haben Forscher unter anderem synthetische Chromosomen von Hefezellen konstruiert und sogar Bauanleitungen für ganz neue künstliche Bakterienarten am Computer entworfen.

Ein weiterer Erfolg ist nun Julius Fredens vom Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge und seinen Kollegen geglückt: Sie haben Escherichia coli-Bakterien ein synthetisches Genom mit vier Millionen Basenpaaren eingesetzt – noch nie zuvor wurde ein Lebewesen mit einem derart großen künstlichen Erbgut erschaffen.

Entwurf am Computer

Die Bauanleitung für ihre Bakterien kreierten die Wissenschaftler zunächst am Computer. Ihre Idee dabei: Sie wollten das natürliche Vorbild nicht nur kopieren, sondern in seinem Erbgut Platz für neue Informationen schaffen. Dies gelang ihnen, indem sie in der Natur vorkommende Redundanzen aus dem Genom der Darmkeime entfernten.

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So nutzen natürliche Zellen 64 unterschiedliche Dreiercodes aus den DNA-Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Diese sogenannten Codons dienen als Bauanleitung für die Aminosäuren, aus denen sämtliche Proteinmoleküle zusammengesetzt werden. Dabei gibt es jedoch Dopplungen: So existieren zum Beispiel sechs Codons, die alle für die Aminosäure Serin kodieren.

61 statt 64 Codons

Fredens und seine Kollegen reduzierten in ihrem Nachbau nun die Zahl der Dreiercodes: Ihr E. coli Syn61 getaufter Organismus nutzt nur 61 anstatt 64 Codons, um alle nötigen Aminosäuren zu produzieren. Die drei übrigen Dreier-Kombinationen stehen als Bauanleitung für neue, künstliche Aminosäuren zur Verfügung – Stoffe, die es in der Natur so nicht gibt.

Das derart veränderte Erbgut bauten die Forscher im Labor nach und schleusten es mithilfe der Genschere CRISPR anschließend Stück für Stück in normale E. coli-Zellen ein. Tatsächlich zeigte sich, dass diese Mikroben mit einem vollständig synthetischen Genom überlebensfähig waren. Ihr Erbgut unterscheidet sich in mehr als 18.000 Positionen vom natürlichen Pendant, wie das Team berichtet.

„Neue Rekorde“

„Mit der Synthese eines Genoms mit vier Millionen Basenpaaren und der Reduzierung des genetischen Codes auf 61 Codons stellen die Wissenschaftler neue Rekorde im Bereich der synthetischen Genetik auf“, erklären Benjamin Blount und Tom Ellis in einem Kommentar im Fachmagazin „Nature“.

Fraglich sei jedoch, wie lange diese Rekorde bestehen bleiben. Denn: Forscher arbeiten bereits daran, das zwölf Millionen Basenpaare große Erbgut der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae synthetisch herzustellen und auch ein E. coli-Genom mit nur 57 Codons ist geplant.

Umstrittene Technologie

Solche Arbeiten bedeuten ein großes Potenzial. Denn mit der Synthese am Computer entworfener Genome können Mikroben entstehen, die ganz bestimmte Zwecke erfüllen und zum Beispiel Impfstoffe, Medikamente und völlig neue Biomoleküle produzieren. Gleichzeitig stellt die Erschaffung künstlicher Lebensformen jedoch einen erheblichen Eingriff in die Natur und Evolution dar – und ist ethisch daher hoch umstritten. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1192-5)

Quelle: Nature Press

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