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Manipuliertes Erbgut: Biologen erschaffen ersten Organismus mit künstlichen Bausteinen

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Zwei Buchstaben mehr im Alphabet des Lebens: Forscher fügen einem Bakterium zwei neue Basen hinzu Zur Großansicht
Synthorx

Zwei Buchstaben mehr im Alphabet des Lebens: Forscher fügen einem Bakterium zwei neue Basen hinzu

Erstmals haben Forscher künstliche Bauteile in das Erbgut eines Bakteriums eingeschleust. So wollen sie Organismen erschaffen, die neue Medikamente herstellen oder Lebensmittel schmackhafter machen.

Bakterien und Pilze haben einen schlechten Ruf - zu Unrecht. Hefe verdanken wir Bier und luftigen Pizza- und Kuchenboden. Milchsäurebakterien helfen, Joghurt oder Käse herzustellen. Nicht zu vergessen all die Pilze und Bakterien, die Arzneien wie Antibiotika und Insulin produzieren. Doch das Potential der kleinen Helfer ist längst nicht ausgeschöpft - davon jedenfalls sind Forscher überzeugt. Ihr Ziel: Sie wollen Mikroorganismen so verändern, dass diese neue Proteine und Aminosäuren herstellen können.

Amerikanische Wissenschaftler haben nun einen weiteren Schritt auf diesem Weg getan und erstmals künstliche Erbgutbausteine erfolgreich in ein Bakterium eingeschleust. Das Bakterium, das Floyd Romesberg vom The Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, und Kollegen nun erzeugt haben, trägt ein zusätzliches Basenpaar aus zwei synthetisch hergestellten Basen. Seine Ergebnisse veröffentlichte das Team im Fachblatt "Nature".

Das Erbgut der Lebewesen, die DNA, besteht natürlicherweise aus vier Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Sie lagern sich zu Paaren zusammen und bauen so ein Gerüst, die Doppelhelix des DNA-Moleküls. Adenin paart sich dabei mit Thymin, Cytosin mit Guanin. Je nachdem, in welcher Reihenfolge die Paare angeordnet sind, produziert die Zelle unterschiedliche Proteine.

Neue Basen-Buchstaben für das Erbgut-Alphabet

"Warum das Leben sich auf die Verwendung der vier herkömmlichen Basen beschränkt, ist seit jeher ein großes Rätsel", sagt Heinz Neumann von der Universität Göttingen, der nicht an der Veröffentlichung beteiligt war. "Mit dieser Studie wird erstmals klar, dass Leben mit einem erweiterten Satz Basen möglich ist."

Die synthetischen Bauteile hatten die Forscher bereits in einer vorangegangenen Arbeit im Reagenzglas hergestellt. Sie in einen lebenden Organismus - in diesem Fall in das Darmbakterium Escherichia coli - zu verpflanzen, war eine Herausforderung. Die Teile müssen so in die Zelle eingeschleust werden, dass sie abgelesen werden können. Außerdem besitzen Zellen natürliche Reparaturmechanismen, die Fehler in der Basenfolge entfernen.

Um die fremden DNA-Bausteine in die Bakterienzellen zu schmuggeln, bauten Romesberg und Kollegen eine Art Pore in die Zellmembran ein. Solche Elemente fungieren als Türsteher und lassen in der Regel nur Moleküle durch, die in der Zelle natürlicherweise gebraucht werden. "Der eingebaute Transporter stammt aus einer Alge und ist offenbar so ungenau in seiner Auswahl, dass er die künstlichen Nukleinsäuren in die Zelle lässt", erklärt Jörn Kalinowski von der Universität Bielefeld, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war. Zusätzlich schleusten die Forscher als Kopiervorlage ein Plasmid in die Bakterien, das das künstliche Basenpaar enthielt - einen kleinen DNA-Ring, der unabhängig vom restlichen Erbgut in der Zelle liegt.

Die so manipulierten Bakterien kopierten die Plasmid-DNA und bauten dabei die künstlichen Bauteile ein. Trotzdem hätten sich die Bakterien in normaler Geschwindigkeit und Qualität vermehrt - schreiben die Forscher in ihrer Studie. Zudem hätten die Reparaturmechanismen die Informationen nicht entfernt. "Möglicherweise sind die künstlichen Bauteile der Zelle so fremd, dass sie keine Werkzeuge besitzt, sie rauszuschneiden", erklärt Kalinowski.

"Ein funktionsloses Objekt, ohne Informationsgehalt"

"Das entstandene Bakterium ist der erste Organismus, der ein künstlich erweitertes genetisches Alphabet zuverlässig vererbt", schreiben Romesberg und Kollegen. Die Aussage, dass es sich - wie die amerikanischen Forscher schreiben - um ein semisynthetisches Lebewesen handelt, geht den deutschen Biotechnologen allerdings zu weit. "Bei einem synthetischen Basenpaar unter fast fünf Millionen natürlichen, die E. coli besitzt, würde ich den Begriff nicht verwenden", sagt Kalinowski.

Auch mit konkreten Anwendungsmöglichkeiten halten sich sowohl die Studienautoren als auch die deutschen Forscher noch zurück. "Für die Forschung ist die Studie durchaus interessant und ein wichtiger Schritt", erklärt Neumann. "Zunächst handelt es sich bei dem künstlichen Basenpaar aber um ein funktionsloses Objekt, ohne Informationsgehalt." Aus dem künstlichen Erbgutcode können die Zellen noch keine Proteine herstellen. Bis zur konkreten Anwendung sei es daher noch ein weiter Weg.

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insgesamt 40 Beiträge
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1. Frankenstein mal anders.
mcvitus 08.05.2014
Mal sehen, oder Nutzen solcher Kreaturen den späteren irreversiblen Schaden wert war.
2. Neu?
drb 08.05.2014
So wie sich das hier liest, könnte man fast meinen, dass die Transformation in der Genetik etwas neues wäre.. Autsch
3. @greenhorn
cindy2009 08.05.2014
Ohne Genmanipulation würden auch Sie heute einige Produkte missen. Es sei denn, Sie sind Heidis Großvater.
4. Schöner Katalysator
ariovist1966 08.05.2014
für die Evolution. Bin gespannt, was alles abgehen wird, wenn diese Bausteine "frei" werden.
5. 3/4
zafoilyx 08.05.2014
des Artikels lesen sich als wäre den Genetikern der große Wurf gelungen. Das letzte Viertel verrät das es ein Quantensprung (im phys. Sinne) gewesen ist.
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Bioengineering: Mediziner erzeugen künstliche Rattenniere

Meilensteine der Synthetischen Biologie
1970 Gen-Synthese I
Kan Agarwal und Gobind Khorana von der University of Wisconsin gelingt es erstmals ein Gen vollständig zu synthetisieren. Das Hefe-Gen besteht nur aus 75 DNA-Bausteinen , der Arbeitsaufwand beträgt 20 Personenjahre. Das DNA-Stück enthält den Bauplan für ein Molekül, das Eiweißbausteine transportiert.
1984 Gen-Synthese II
Steven Brenner und Kollegen fügen das erste Gen zusammen, das die Bauanleitung für ein Eiweiß enthält. Zwei Wissenschaftler arbeiten eineinhalb Jahre, um die 330 DNA-Bausteine zusammenzufügen.
1995 Minimal-Genom I
Der US-Forscher Craig Venter und sein Team sequenzieren das kleinste Genom eines freilebenden Organismus. Das Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalium, das beim Menschen Harnröhren-Infektionen verursachen kann, enthält nur 517 Gene. Mycoplasmen werden zu Modelorganismen der Synthetischen Biologie.
1999 Minimal-Genom II
Wie viel Gene sind entbehrlich? Dieser Frage geht Craig Venter beim Bakterium Mycoplasma genitalium nach. Sein Team kommt zu dem Schluss, dass von den 480 eiweißcodierenden Genen rund 180 für das Überleben nicht essentiell sind. Genauere Analysen werden 2006 ergeben, dass mindestens 382 Gene vorhanden sein müssen.
2002 Virus-Synthese
Mit Hilfe eines genetischen Bauplans aus öffentlichen Datenbanken bauen Jeronimo Cello und Eckard Wimmer von der State University of New York das Erbgut eines Polio-Virus zusammen. Die Bausteine dafür lassen sie sich per Post schicken. Den im Labor innerhalb von drei Jahren entstandenen Erreger der Kinderlähmung injizieren sie Mäusen, die daraufhin krank werden.
2004 Wettbewerb der Genombastler
Zum ersten Mal findet die iGEM-Competition am Massachusetts Institute of Technology (MIT) statt. Studenten des MIT sollen mit Hilfe von Bio-Bausteinen wie Gen-Schaltern und Genen neuartige Mikroorganismen basteln. Bald wächst die Veranstaltung zu einem internationalen Wettbewerb.
2006 Bierhefe produziert Malaria-Medikament
Am California Institute of Quantitative Biomedical Research schafft es ein Team um Jay Keasling Bierhefe dazu zu bringen, das Malaria-Medikament Artemisinin herzustellen. Massive Eingriffe ins Erbgut der Hefe sind nötig: Gen-Aktivitäten werden erhöht, Gene eingefügt und ausgetauscht. Die spezifische Artemisinin-Produktivität dieser Hefe ist höher als in der natürlichen Quelle, dem Einjährigen Beifuß.
2007 Bakterien-Umwandlung
Unter Leitung von Carole Lartigue transplantieren Wissenschaftler am J. Craig Venter Institute das gesamte Genom einer Bakterien-Spezies in die Zelle einer anderen Bakterien-Art. Nach Erkenntnissen der Forscher übernimmt das Spender-Genom in der neuen Umgebung das Kommando und macht die Artumwandlung möglich.
2008 Synthese eines Bakterien-Genoms
Forscher des J. Craig Venter Institute fügen alle Erbgut-Bausteine des Bakteriums Mycoplasma genitalium zusammen. Das chemisch synthetisierte Genom besteht aus mehr als 580.000 Bausteinen.
2009 Hefezellen vermehren Bakterienerbgut
Dem J. Craig Venter Institute gelingt ein weiterer Coup: Das Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides wird in Hefezellen eingeschleust und kann dort mit Hilfe der Hefe-Gentechnik verändert werden. Wird das neue Genom in Zellen der Bakterien-Art Mycoplasma capricolum verpflanzt, entsteht ein neuer Bakterienstamm.
2010 Synthetisiertes Bakterien-Genom transplantiert
Wissenschaftler des J. Craig Venter Institute synthetisieren das Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides. Seine DNA besteht aus mehr als einer Million Bausteinen und enthält von den Forschern eingefügte molekulare Wasserzeichen: kodierte E-Mail-Adressen, Namen oder berühmte Zitate. Das Konstrukt transplantierten sie in die verwandte Art Mycoplasma capricolum. Alle Vorgänge in der Zelle wurden daraufhin von der Mycoplasma-mycoides-DNA gesteuert. Um "künstliches Leben" handelt es sich bei dieser Zelle aber nicht: Die synthetisierte Bakterien-DNA ist eine Kopie des natürlichen Genoms und auf die vorhandene molekulare Maschinerie des Empfänger-Bakteriums angewiesen.

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