Mikrobe aus dem Computer

Forscher haben ein Bakterium mit dem bislang grössten künstlich hergestellten Genom erschaffen. Die Einzeller sollen einmal Arzneimittel oder chemische Werkstoffe produzieren.

Der Mensch wird zum Erschaffer von Lebewesen: Forscher in einem Biotech-Labor (Symbolbild). Foto: iStock

Der Mensch wird zum Erschaffer von Lebewesen: Forscher in einem Biotech-Labor (Symbolbild). Foto: iStock

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Am Computer entworfen und durch Maschinen im Labor zum Leben erweckt – so lässt sich die Schöpfungsgeschichte einer neuen Bakterienart grob zusammenfassen, die Biologen und Chemiker im Journal «Nature» präsentieren. Tatsächlich hat das Vorhaben, einen Organismus mit vollständig vom Menschen geschriebenem Erbgut zu erschaffen, zweieinhalb Jahre gedauert. E. coli Syn61 nennen die Forscher das Ergebnis.

Die Mikrobe ist der erste künstliche Nachbau des natürlichen Vorbilds Escherichia coli, eines Bakteriums, das natürlicherweise eigentlich im Darm lebt. Doch weil es sich im Labor so gut züchten lässt, ist es zu einem ­unentbehrlichen Helfer der Biotechnologie geworden.

Die Arbeitsgruppe um den Biochemiker Jason Chin vom Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology im britischen Cambridge hat die vier Millionen Erbgutbausteine, aus denen das Genom des Bakteriums E. coli besteht, von chemischen Synthetisiermaschinen nachbauen lassen und Stück für Stück in das Erbgut von E-Coli-Bakterien eingeschmuggelt. Die Schlusskontrolle ergab, dass sie Mikroben erschaffen hatten, die kein Stück natürlicher DNA mehr enthielten, sondern nur solche, die dem natürlichen Vorbild nachempfunden war.

Die Mikrobe ist zwar nicht der erste lebende Organismus mit vollständig synthetischem Erbgut. Doch es ist das Lebewesen mit dem bislang grössten künstlichen Genom. Zudem hat Chens Team ein paar heftige Umbaumassnahmen im Erbgut vorgenommen, um das Bakterium neu zu programmieren.

Es kann wie seine natürlichen Verwandten alle Aminosäuren nutzen, um damit die Proteine zusammenzusetzen, die es zum Leben braucht. Syn61 kommt jedoch mit einem komprimierten Bauplan aus, was Biotechnologen Spielraum gibt, wenn sie Bakterien mit neuen Eigenschaften ausstatten wollen.

Länger und langsamer als die natürlichen Verwandten

Die Natur geht nämlich grundsätzlich sehr grosszügig mit dem genetischen Speicherplatz um, den der Erbgutfaden DNA bietet. Er besteht aus drei chemischen Grundbausteinen, die meist als A, C, G und T abgekürzt werden. Immer drei davon zusammengenommen geben den Organismen vor, welche Aminosäure sie in ein Protein einbauen sollen. GCC auf dem Erbgutfaden gibt der Zelle zum Beispiel vor, die Aminosäure Alanin in das Protein einzubauen, das sie gerade herstellt.

Aus den vier Grundbausteinen lassen sich 64 verschiedene ­Triplets zusammenstellen oder ­Codons, wie Genetiker sagen. Es gibt jedoch nur zwanzig Aminosäuren, die ein Organismus natürlicherweise verbauen kann. Der genetische Code ist deshalb sehr redundant, mehrere Codons stehen für eine Aminosäure. Daneben gibt es noch knapp eine Handvoll Codons, die der Zelle sagen, an welcher Stelle auf dem DNA-Faden sie anfangen soll, einen Bauplan zu lesen, und wo sie aufhören soll.

Jason Chin mit seinen Kolleginnen und Kollegen hat der ­Mikrobe Syn61 einprogrammiert, mit nur 61 Codons auszukommen. Die drei übrigen Codons können die Forscher nun verwenden, um der Zelle zum Beispiel zu befehlen, eine künstliche Aminosäure in ein Protein einzubauen.

Dadurch können Biomoleküle mit vollkommen neuen Eigenschaften entstehen, die sich als Arzneimittel einsetzen, aber auch von der chemischen Industrie nutzen lassen. Solche molekularen Kreationen sind die Spezialität von Chin. «Er hat immer neue Anwendungsmöglichkeiten im Sinn», sagt Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie an der ETH Zürich, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

«Wir haben gezeigt, dass wir das redundante Konzept ändern können und die Bakterien überleben», sagt Louise Funke, die in Chens Labor an Syn61 mitgearbeitet hat. Unter dem Mikroskop unterscheiden sich die Mikroben mit umkodierter DNA allerdings von ihren natürlichen Verwandten. Sie sind laut Funke «ein bisschen länger, und sie vermehren sich langsamer».

Das bedeutet, dass die veränderten Codons wohl mehr Funktionen haben, als bloss Bauanweisungen zu vermitteln. «Sie können im Erbgut auch als ­Andockstellen für Biomoleküle dienen, welche die Aktivität der Zellen steuern», sagt Funke.

Missbrauch ist möglich, aber unwahrscheinlich

An mehr als 18'000 Positionen haben die Forscher das Genom von E. coli verändert, um daraus Syn61 zu erschaffen. Vier Stellen haben ihnen dabei besondere Probleme bereitet, so Funke, «es war, als würden sich die Bak­terien gegen das synthetische ­Erbgut wehren, sie wollten die Schnipsel nicht einbauen. Wir mussten ziemlich tricksen.»

Dass die Technologie nicht nur für friedlich-wirtschaftliche Zwecke genutzt werden kann, sondern auch Potenzial zum Missbrauch hat, ist den Forschern bewusst. Doch dafür braucht es gar keine so komplexen Umbauarbeiten, wie sie Funke und ihre Kollegen vorgenommen haben.

«Unsere Technologie bietet für diese Zwecke keine neuen Vorteile», sagt Funke. Das sieht auch Martin Fussenegger so: «Man braucht diese Technologie nicht, um gefährliche Mikroben zu erzeugen, die gibt es bereits.» Das bedeute nicht, dass die Technologie nicht auch für gefährliche Zwecke genutzt werden könne, doch gebe es dazu momentan einfachere Mittel.

Erstellt: 19.05.2019, 16:02 Uhr

Auf der Suche nach überlebensfähigen Minimalorganismen

Das unlängst hergestellte Darmbakterium Escherichia coli mit künstlichem Genom ist aktuell das Lebewesen mit dem grössten Erbgut dieser Art. Das erste Mal gelang die Herstellung einer lebenden Zelle mit synthetischer DNA allerdings bereits im Jahr 2010. Es handelte sich um einen Abkömmling von Mycoplasma-Bakterien, hergestellt von Bioingenieuren um den Amerikaner Craig Venter. Das neu hergestellte Erbgut umfasste 1,08 Millionen Basenpaare.

Davor beschränkten sich Synthetisierungsversuche auf Viren und längere DNA-Sequenzen. 2003 veröffentlichten Forscher die komplette Herstellung einer Bakteriophage mit 5386 Basenpaaren. Drei Jahre später war es möglich, synthetische DNA bis zu etwa 35000 Basenpaaren zu produzieren. Damals schätzte man die Genom-Grösse lebensfähiger Minimalorganismen auf nur 110000 Basenpaare.

Im März 2016 präsentierten wiederum Wissenschaftler um Craig Venter einen weiteren lebensfähigen Organismus mit synthetischem Genom. Die Bioingenieure halbierten dafür das Erbgut des Bakteriums Mycoplasma mycoides auf eine halbe Million Basenpaare und reduzierten die Anzahl der Gene um 57 auf 473. (Red)

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