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Synthetische Biologie:Biologen erschaffen Chromosom im Labor

Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) unter dem Mikroskop

Bäckerhefe unter dem Mikroskop betrachtet

(Foto: Masur / Wikimedia)

Erstmals bauen Forscher einen komplexen Organismus mit künstlichen Erbgut-Teilen. Dieser soll helfen, Medikamente und Biotreibstoffe zu gewinnen. Fachleute sprechen von einem "Meilenstein".

Erstmals haben Forscher ein Chromosom eines komplexen Organismus im Labor nachgebaut. Die Chromosomen sind jene Strukturen, auf denen sich die Erbsubstanz DNA und damit die Gene befinden. Bei dem nun nachgebauten Chromosom handelt es sich um eines der Bäckerhefe. Dieser Mikroorganismus spielt eine große Rolle in der biotechnischen Industrie. Er besitzt, wie Pflanzen und Tiere auch, einen Zellkern und unterscheidet sich dadurch von den einfacher strukturierten Bakterien.

Das erste synthetische Hefe-Chromosom sei ein "wichtiger technischer Meilenstein", sagte Wilfried Weber, Professor für Synthetische Biologie an der Universität Freiburg. Er war nicht an der Arbeit beteiligt, die nun ein internationales Team aus 80 Wissenschaftlern und Studenten unter der Leitung von Jef Boeke vom Langone Medical Center in New York und Srinivasan Chandrasegaran von der Johns Hopkins University in Baltimore im Fachmagazin Science präsentierte.

Minimalgenom aus dem Labor

Die Bäckerhefe wird bereits heute in der Biotech-Industrie eingesetzt, etwa, um Medikamente, zum Beispiel gegen Malaria, Biotreibstoffe und andere Chemikalien herzustellen. Bislang ist die Ausbeute jedoch häufig gering. Dies werde sich bessern, so vermuten Forscher, wenn sich künftig das komplette Erbgut der Hefe im Labor zusammensetzen ließe. Dann könnte zum Beispiel der Preis für Medikamente sinken, die in der Hefe produziert werden.

Forscher arbeiten bereits daran, auch die übrigen Chromosomen dieses Mikroorganismus nachzubauen. Das Ziel ist eine Hefezelle mit komplett künstlichem Erbgut. Die nun präsentierten Ergebnisse belegen erstmals, dass dies grundsätzlich möglich ist. Vergleichbares ist Forschern zwar bereits mit einer Bakterien-Zelle gelungen. Sie ist aber einfacher strukturiert und ihr Erbgut leichter zu synthetisieren.

Um ein Hefe-Chromosom nachzubauen, kopieren die Forscher die natürliche Version nicht eins zu eins. Vielmehr veränderten Boeke und seine Kollegen die Erbsubstanz gezielt an mehr als 500 Stellen. Unter anderem fehlen der am Computer designten Version fast 48 000 der insgesamt etwa 317 000 DNA-Bausteine des natürlichen Chromosoms.

Designer-Hefen sollen nicht in die Umwelt gelangen

Auf diese Weise wollen die Wissenschaftler eine Art Minimal-Hefe entwickeln. Sie soll nur noch jene Gene besitzen, die zum Überleben im Labor und zur Vermehrung unbedingt nötig sind. So kann die Zelle möglichst viele ihrer Ressourcen etwa in die Produktion eines Medikaments oder von Biotreibstoff stecken.

Normale Hefen hingegen haben auch Erbanlagen, die sie nur in Ausnahmefällen unter widrigen Bedingungen benötigen. Solche Gene sind notwendig, um in der Umwelt zu überleben. Im Labor sind sie jedoch überflüssig, wie die Forscher zeigten. Dazu tauschten sie in lebenden Hefezellen das natürliche Chromosom gegen die Nachbildung aus. Die derart veränderten Zellen verhielten sich bis auf sehr geringe Abweichungen genauso wie normale Hefen.

Zudem verhindern die fehlenden Gene, dass sich die Designer-Hefen in der Umwelt verbreiten können, sollten sie einmal aus einem Labor entweichen.