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Künstliches Leben: Biologen erschaffen erstmals Chromosom im Labor

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DPA/ Science/ Lucy Reading Ikkand

Premiere im Labor: Erstmals haben Forscher ein Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern nachgebaut. Zukünftig wollen sie ganze Pflanzen- oder Tiergenome im Labor erschaffen. Ihrem Ziel kommen sie immer näher.

Bier, backen oder gar nichts - das sind die Dinge, die wohl die meisten Menschen mit Hefe verbinden. Forscher haben ganz andere Assoziationen: Im Labor haben sie erstmals ein funktionsfähiges Chromosom von einem Eukaryonten hergestellt - einem Lebewesen mit Zellkern. Versuchsorganismus: Saccharomyces cerevisia, die Bäckerhefe.

Zunächst am Computer entwarf das internationale Forscherteam den Bauplan für das künstliche Chromosom und schleuste es anschließend in lebende Zellen ein. Chromosomen enthalten Gene, auf denen Informationen für die Funktion von Zellen gespeichert sind. Zusammengesetzt sind die DNA-Stränge der Chromosomen aus Basenpaaren.

Das Genom der Bäckerhefe, das insgesamt aus 16 Chromosomen besteht, ist seit 1996 entschlüsselt. Das jetzt nachgebaute Chromosom III gilt als das drittkleinste der Hefe. Dennoch brauchten die Wissenschaftler um Jef Boeke vom New York University Langone Medical Center sieben Jahre, um die 273.871 Basenpaare zusammenzubasteln. Das künstliche Chromosom, das den Namen synIII trägt, ist etwas kleiner als sein natürliches Vorbild, das aus 316.667 Basenpaaren besteht. Zum Vergleich: Ein menschliches Chromosom enthält durchschnittlich 140 Millionen Basenpaare.

Glücksspiel im Labor

Im ersten Schritt entfernten die Forscher am Computer sich wiederholende Informationen aus der Basenpaar-Abfolge der Hefe, berichten sie im Fachmagazin "Science". Für das Wachstum und die Fortpflanzung der Zellen sind die Informationen überflüssig. Ebenfalls ignoriert wurde Junk-DNA, also Basenpaarfolgen, die keine Informationen zur Proteinherstellung tragen. Gleichzeitig fügten Boeke und Kollegen der DNA Bausteine hinzu, um einzelne Abschnitte als künstlich oder natürlich zu markieren oder sie später zu löschen oder zu verschieben.

"Ein Genom zu verändern, ist immer auch ein Glücksspiel", so Boeke. Eine falsche Veränderung könne die Zelle töten. "Wir haben den DNA-Code des Chromosoms über 50.000-mal verändert und die Hefe lebt immer noch."

60 Studenten hatten dem Computer-Chromosom im Labor Leben eingehaucht. Die Nachwuchsforscher fügten kurze DNA-Schnipsel zu immer längeren Strängen zusammen und schleusten sie in Hefezellen ein. Anschließend testeten sie, wie gut die Hefe mit dem künstlichen Chromosom leben konnte.

Unter 19 verschiedenen Bedingungen - unterschiedlichen Temperaturen oder in Säure - prüften sie, wie schnell sich die Hefe vermehrte. Außerdem beobachteten sie in 30 Hefekolonien, inwiefern sich durch Zellteilung Mutationen in die DNA einschlichen. Nach 125 Teilungen ging es der Hefe immer noch gut. Dass Informationen bei der Zellteilung verloren gingen, sei normal, so Boeke. In synIII sei der Anteil nur minimal höher gewesen als in natürlichen Zellen.

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Maßgeschneidertes Leben: Bakterium erschaffen
Genreihenfolge würfeln

Das Chromosom herzustellen, war den Forschern jedoch nicht genug. Sie veränderten zusätzlich die Erbinformation, um Einfluss auf die Funktion der Organismen zu nehmen. Das Prinzip könne man sich mit einem Kartenspiel vorstellen, erklärt Boeke. Jedes Gen sei eine Karte. "Wir können alle möglichen Gruppen von Karten zusammenpacken, die Reihenfolge vermischen und Hunderte verschiedene Decks zusammenstellen. Dann können wir so lange mischen, bis wir ein Deck finden, mit dem die Hefe unter festgelegten Bedingungen am besten überleben kann - etwa unter höheren Alkoholkonzentrationen."

Über die Methode seien Forscher in der Lage, im Labor in kurzer Zeit Genvarianten herzustellen, über die Hefe beispielsweise seltene Medikamente erzeugen könne. Etwa Artemisinin, eine Substanz, die natürlich von einer Pflanze - dem Einjährigen Beifuß - hergestellt wird und die gegen multiresistente Stämme eines Malariaerregers eingesetzt wird. Auch der Impfstoff gegen Hepatitis B wird mit Hilfe von Hefe produziert.

Bereits im vergangenen Jahrzehnt haben Forscher Chromosomen von Bakterien oder Erbgut von Viren im Labor erzeugt. Pionier auf dem Gebiet ist Craig Venter, der als erster das menschliche Erbgut entschlüsselte, 2008 die erste vollständige künstliche DNA herstellte und 2010 mit dem ersten künstlich erschaffenen Lebewesen - einem Bakterium - in die Schlagzeilen kam. Derzeit erforscht er die Alterungsprozesse in menschlichen Zellen.

Auch das künstliche Hefe-Chromosom ist der Anfang von einer viel größeren Idee: Langfristig soll das ganze Genom der Bäckerhefe nachgebaut werden. Schließlich werde es möglich sein, auch das Erbgut anderer Eukaryonten im Labor herzustellen - etwa von Pflanzen oder Tieren, schreiben die Forscher. Sie haben noch viel vor.

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insgesamt 63 Beiträge
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1. Mooresches Gesetz
_luz_ 27.03.2014
Hoffentlich, hoffentlich geht die Entwicklung der Rechenleistung noch schneller voran. Schon das Internet hat dafür gesorgt, dass man wesentlich effizienter und leistungsstärker arbeiten kann - auf natürlich undgedopte Weise. Das hat sich bis dato positiv in meinem Studium bemerkbar gemacht, da ich mich selbst als autodidakt sehe und sehr gut entscheiden kann, welche Information für mich von Nutzen ist und welche nicht. Im Zusammenhang mit dem Artikel empfehle ich mal den Film "Gattaca" zu schauen - hier geht es um eine (hoffentlich) nahe Zukunft, in der die Kinder der Menschen durch Genforschung absolut gesund sind. Kein Krebs, kein MS, keine Kleinwüchsigkeit usw. Ich sage nicht, dass Kleinwüchsigkeit schlecht ist. Mir ist auch bekannt, dass es Menschen gibt (DeVito?!) die die zum Anlass nahmen eine "Jetzt erst Recht" Einstellung zu entwicklen und dadurch erfolgreich werden. ABER: Wieviele Kleinwüchsige schaffen eine solche Einstellung? Wäre es nicht gut gewesen, schon vor Geburt solche (natürlich relativen) Makel zu beseitigen? Ich spreche hier nicht von Rassenlehre, Narzissmus oder Optimierungswahn - ich spreche einfach nur von einem lebenswerteren Leben. Einer Utopie, wenn man so will. In diesem Sinne hoffe ich also, dass durch noch bessere Rechentechnik und noch mehr Invest in dieser Branche noch schneller herausragende Ergebnisse erzielt werden könnne. Wer wirklich krank ist, weiß, wovon ich spreche.
2. Na endlich!
augennichttrauer 27.03.2014
Endlich geht es so richtig los mit der Manipulation von Lebewesen. Wie lange warten wir schon auf die Kuh mit 4 Eutern für mehr Milch. Ich halte diese Eingriffe in die Natur für gefährlich. Wenn wir erst wissen, wie genetisch selektiv wirkende Giftstoffe funktionieren können, bekommt Krieg eine ganz neue Dimension. Und bei Waffen gilt schon seit je her: Was geht, wird gemacht. Wie schon richtig gesagt: Die Wissenschaftler haben noch viel vor...
3. Menschen bauen gerne
tomatosoup 27.03.2014
Menschen sind schöpferisch. Menschen bauen gerne. Menschen sind viel neugieriger als Primaten - kein Kunststück bei dem unglaublich fähigen Gehirn. Deutschland sitzt vermutlich wie versteinert vor der Meldung, dass Menschen ein Chromosom nachbauen, sitzt da und hat German Angst vor den Besen des Zauberlehrlings. Wissenschaftliche Weltelite könnte Deutschland zwar immer noch sein, aber das wird nicht gewünscht. Zu gefährlich!
4.
Olaf 27.03.2014
Zitat von sysopDPA/ Science/ Lucy Reading IkkandPremiere im Labor: Erstmals haben Forscher ein Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern nachgebaut. Zukünftig wollen sie ganze Pflanzen- oder Tiergenome im Labor erschaffen. Ihrem Ziel kommen sie immer näher. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/kuenstliches-leben-chromosom-von-baeckerhefe-im-labor-erzeugt-a-961043.html
Warum auch nicht, die Natur hat auch keine anderen Stoffe zur Verfügung.
5. An # 1 _luz_ Ist man Optimist
wurzelbär 27.03.2014
Zitat von _luz_Hoffentlich, hoffentlich geht die Entwicklung der Rechenleistung noch schneller voran. Schon das Internet hat dafür gesorgt, dass man wesentlich effizienter und leistungsstärker arbeiten kann - auf natürlich undgedopte Weise. Das hat sich bis dato positiv in meinem Studium bemerkbar gemacht, da ich mich selbst als autodidakt sehe und sehr gut entscheiden kann, welche Information für mich von Nutzen ist und welche nicht. Im Zusammenhang mit dem Artikel empfehle ich mal den Film "Gattaca" zu schauen - hier geht es um eine (hoffentlich) nahe Zukunft, in der die Kinder der Menschen durch Genforschung absolut gesund sind. Kein Krebs, kein MS, keine Kleinwüchsigkeit usw. Ich sage nicht, dass Kleinwüchsigkeit schlecht ist. Mir ist auch bekannt, dass es Menschen gibt (DeVito?!) die die zum Anlass nahmen eine "Jetzt erst Recht" Einstellung zu entwicklen und dadurch erfolgreich werden. ABER: Wieviele Kleinwüchsige schaffen eine solche Einstellung? Wäre es nicht gut gewesen, schon vor Geburt solche (natürlich relativen) Makel zu beseitigen? Ich spreche hier nicht von Rassenlehre, Narzissmus oder Optimierungswahn - ich spreche einfach nur von einem lebenswerteren Leben. Einer Utopie, wenn man so will. In diesem Sinne hoffe ich also, dass durch noch bessere Rechentechnik und noch mehr Invest in dieser Branche noch schneller herausragende Ergebnisse erzielt werden könnne. Wer wirklich krank ist, weiß, wovon ich spreche.
Sie sprechen als Einzelner, über "Erstrebenswerte" die von den meisten Intelligenzbefreiten, sich hormongesteuert selbst produzieren Individuen, deren kostengünstige Erhaltung und Leistung nur zur Existenzerhaltung sehr weniger dienlich sind. Es liegt nicht im Sinne derjenigen, in Ihre, für Sie als "Arbeits-Leistung-Abgaben-Erbringer" zu investieren. (z.B. Rentenbetrug) Das was man als gesundheitlichen Vorteil ansieht, wird nur für sehr wenige, dem Volk und Staat sehr entfernte, zugänglich werden. Auch heute noch gibt es die "Götter" die dem Volk nicht erscheinen, aber es benützen. Man sollte auch die Zeit verstehen, in der man lebt. Was nützen die Errungenschaften, die von wenigen erdacht werden und nützlich sind, wenn sie 99Prozent der Menschen in ihrer Wirkung nicht verstehen. Siehe Internet !
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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.

Das Erbgut
Genom
Das Genom bezeichnet das gesamte Erbgut eines Organismus. Außer bei einigen Viren besteht es immer aus DNA (Desoxyribonukleinsäure). Das Genom beinhaltet den Bauplan für die Produktion sämtlicher Proteine (Eiweißmoleküle), die ein Organismus zum Leben benötigt. Ein Gen ist ein Sequenzabschnitt auf dem Genom und beinhaltet die Erbinformation für ein Protein. Die einzelnen Bausteine der DNA sind vier verschiedene Basen: A, C, T und G.
Messenger-RNA (mRNA)
Die mRNA ist eine Art Genabschrift oder Blaupause der DNA. Nur die mRNA kann von den Proteinfabriken der Zellen, den sogenannten Ribosomen gelesen werden. Sie gibt ihnen vor, in welcher Reihenfolge Aminosäuren - die Bausteine von Proteinen - für das jeweilige Protein zu verknüpfen sind.
Codon
Ein Codon ist eine Folge von drei Bausteinen (Nukleotiden oder Basen) der DNA und analog auch der mRNA. Ein Codon steht für eine bestimmte Aminosäure oder als Stoppsignal, welches das Ende einer Bauanweisung für ein Protein kennzeichnet.
Genetischer Code
Der genetische Code ist die Zuordnung der Basen-Dreiergruppen und der Aminosäuren. Da vier verschiedene Basen zur Auswahl stehen, umfasst der genetische Code insgesamt 64 Codons. Für die meisten Aminosäuren gibt es daher mehr als ein Codon. So stehen beispielsweise die Codons CAG und CAA für die gleiche Aminosäure, die Glutaminsäure.
Transfer-RNA (tRNA)
Die tRNAs übernehmen eine Adapterfunktion beim Bau der Proteine: Jede tRNA hat auf der einen Seite jeweils ein sogenanntes Anticodon, das passend zum Codon auf der mRNA ist. Auf der anderen Seite ist sie mit der zugehörigen Aminosäure beladen. Auf diese Weise wird der genetische Code auf der mRNA abgelesen und in die entsprechende Aminosäurekette zum Protein verwandelt. Dieser Prozess geschieht in den Ribosomen.
Hintergrund
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Evolution
Die Veränderung des Erbguts und damit des Phänotyps von Individuen von Generation zu Generation.
Population
Eine Gruppe von Organismen einer Art oder auch verschiedener Arten (Mischpopulation) an einer bestimmten Örtlichkeit.
Phänotyp
Das Erscheinungsbild eines Individuums ist die Gesamtheit der durch die Erbanlagen (Genotyp) und die Einflüsse der Umwelt sich ausprägenden Merkmale eines Lebewesens.
genetische Variabilität
Die einzelnen Individuen einer Art besitzen genetische Unterschiede.
natürliche Selektion
Das Erbgut von Individuen einer Art wird nicht mit gleicher Wahrscheinlichkeit weiter gegeben. Manche Individuen einer Population vermehren sich stärker als andere - je nachdem wie überlebenstüchtig sie in einer bestimmten Umwelt sind. Selektionsfaktoren der Umwelt üben eine natürliche Selektion aus.
sexuelle Selektion
Ein Individuum bevorzugt bei seiner Partnerwahl bestimmte Merkmale. Dadurch haben nicht alle potentiellen Sexualpartner die gleichen Chancen zur Fortpflanzung, es findet somit eine Selektion statt. Die Erbanlagen, die die Merkmale hervorbringen, die fr die Partnerwahl entscheidend waren, werden dadurch weiter gegeben.
künstliche Selektion
Vom Mensch gewünschte Eigenschaften werden durch Selektion und Zucht einzelner Individuen gezielt vermehrt.
genetische Drift
Auch Gendrift genannt. Vorgang bei der Evolution, der zu einer Veränderung im Genbestand kleiner Teilpopulationen gegenüber der Ausgangspopulation führt. Je kleiner eine Population ist, umso leichter kann der Zufall eine vom allgemeinen Durchschnitt abweichende Kombination von Genen zusammenführen. Gelangen beispielsweise nur wenige Individuen einer Art in ein isoliertes Gebiet (Insel, abgeschnittenes Gebirgstal), so können sich nun von ihrem Selektionswert unabhängige Mutationen aufgrund des Zufalls durchsetzen oder verlorengehen. Dies kann zu Formen führen, die in einzelnen Merkmalen nicht angepasst sind (beispielsweise auffällige Färbung, die sie als Beutetiere mehr gefährdet). Der Wirkungsgrad der Gendrift kann durch die mathematische Statistik erfasst werden.


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