Synthetische Biologie Die Mikrobe aus dem Computer

Künstlerische Darstellung des Erbguts der Mikrobe E. coli Syn61

(Foto: Larissa Ulisko)
  • E. coli Syn61 nennen die Forscher die neue Bakterienart mit komplett synthetischem Genom.
  • Die Biologen entwarfen die Erbanlagen so, dass die Bakterien zukünftig mit vollkommen neuen Eigenschaften versehen werden können.
  • Neben den nützlichen Anwendungen hat die Methode auch Potenzial zum Missbrauch.
Von Hanno Charisius

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 Natur präsentieren. Tatsächlich hat das Vorhaben, einen Organismus mit vollständig vom Menschen geschriebenen 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, ein Bakterium, das 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.

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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.

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 20 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, wo auf dem DNA-Faden sie anfangen soll, einen Bauplan zu lesen, und wo sie aufhören soll.

Kann die Technologie als Biowaffe missbraucht werden? Forscher sehen das gelassen

Bakterien der neuen Art E. coli Syn61 unter dem Mikroskop. Ihr Genom wurde von Menschen entworfen.

(Foto: Nick Barry)

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 mit an Syn61 gearbeitet 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, die die Aktivität der Zellen steuern", sagt Funke.

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.

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