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Gentechnik: Forscher erschaffen Designer-Bakterium mit größtem künstlichen Erbgut
Science Photo Library/ Getty Images

Forscher haben das Genom einer Mikrobe vollständig ausgetauscht. Ihr Organismus wird nun allein von künstlichen Molekülen gesteuert. Es ist das Lebewesen mit dem größten derartigen Genom, das je geschaffen wurde.

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permissiveactionlink 18.05.2019, 09:53
1. Wirklich beeindruckend,

besonders der rein gentechnische Zusammenbau eines Bakteriengenoms mit 4 Megabasenpaaren. Dabei musste an allen betroffenen Stellen, wo ursprünglich zwei von drei möglichen Stoppcodons oder ein spezielles Codon für eine Aminosäure im Genom vorhanden war, eine Veränderung vorgenommen werden. Die Autoren schreiben, dass sich dadurch eine der üblicherweise im Genom codierten Transfer-RNAs deletieren ließ : Dieser Genabschnitt wurde also offenbar zunächst genetisch so verändert, dass von ihm keine funktionsfähige tRNA mehr abgelesen werden kann. Syn61 besitzt also nur noch ein Codon für Stopp, eines für Start (Methionin) und 59 weitere für die 20 üblichen Aminosäuren. Ich frage mich allerdings, was bei Mutationen geschieht, die a) die stillgelegten Codons reaktivieren oder b) funktionsfähige Codons in stillgelegte deaktivieren. Stoppcodons besitzen keine zugeordnete tRNA. Mutationen zwischen UAA, UAG und UGA sind doch jederzeit möglich ? Und wenn durch Mutation das Codon entsteht, dessen tRNA deletiert wurde ? Dann kommt es während der Proteinsynthese möglicherweise zu einem vorzeitigen Abbruch, da dieses Codon nun als neues Stoppcodon wirkt ! Und woher will man eigentlich die künftig zusätzlich einzubauenden Aminosäuren nehmen, ohne zuvor dafür auch noch gleich zahlreiche Gene für Enzyme ins Genom einzubauen, die den Syntheseweg zu diesen Aminosäuren ermöglichen ? Und diese Aminosäuren müssten dann auch mit speziellen Enzymen (die bisher gar nicht existieren) an veränderte tRNAs mit speziellen Codons gekoppelt werden. Mir scheint das ein sehr ambitionierter, aber schwer durchführbarer "Schöpfungsakt" zu sein ! Die Natur hat die Redundanz der Basentripletts geschaffen, um die für die natürliche Evolution notwendigen und vorhandenen Mutationsraten sehr fein gegen eine zu starke und vermutlich tödliche Genomveränderung durch diese Mutationen einzustellen, nicht nur bei den Stoppcodons. Würde mich gar nicht wundern, wenn man da noch ein paar sehr unangenehme Überraschungen durch Veränderungen an dieser Redundanz erlebt.

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alexander.baehring 18.05.2019, 10:34
2. Wow!!!

Wenn ich an die potentiellen Möglichkeiten so eines auf spezielle Anwendungen zugeschnitten Organismus denke wird mir ganz schwummrig. Sowohl im positiven als auch im negativen Kontext.

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NixAlsVerdruss 18.05.2019, 11:04
3. Glückwunsch

meine uneingeschränkte Anerkennung für diese Leistung. Wenn ich an die bisherige Nutzung der Gentechnik bei der Herstellung von Mediakmenten (u. a. Insulin) denke kommen mir da viele Gedanken. Leider auch tief schwarze in Richtung der Lieblingsspielzeuge vieler Potentaten.

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hps 18.05.2019, 12:19
4. Darüber, wohin ein Mensch will

Haben wir die Absicht, nicht in alle Ewigkeit von den Vorgaben des natürlichen Zufalls zu sein? Wer will nicht sein wie die in den Schriften beschriebenen Götter? Wer möchte nicht auf die endlosen biologischen Schwachstellen allzu gerne verzichten? Und wie sollten wohl Kolonisten in den diversensten Umgebungen anderen Planeten überleben und eine neue Zivilisation gründen?

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Harry1 18.05.2019, 12:45
5. Gruselig

........... es lebt es lebt.
Wir werden Zeitzeugen eines neuen Zeitalters nach der Atombombe und nach der KI - Mensch wird Gott!
Weiss nicht ob ich mich wirklich freuen soll.

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rockwater 18.05.2019, 12:50
6. Ich bin dagegen

Manche Wissenschaften brauchen einen Maulkorb.

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pjotrmorgen 18.05.2019, 19:05
7. klingt hyperspektakulär

Bei genauerem Hinsehen ist die Arbeit vielleicht mühsam, insbesondere die DNA-Synthese und das Zusammenfügen in einem Plasmid. Doch die "Vollsynthese" ist in Wirklichkeit nur das Nachahmen des Grossteils des ursprünglichen Genoms. Alle Proteine dürften exakt gleich geblieben sein wie auch alle Stoffwechselwege.

Wirklich spektakulär wäre die Reduktion des Codes auf 21 Codons, dann könnte man 43 neue Aminosäuren verwenden. Doch der Aufwand, neue Paare von tRNA und Aminoacyl-tRNA-Synthetase zu schaffen, ist bislang ausserordentlich gross. Allerdings könnte eine Erweiterung auf Basenquadruplets (Codons mit 4 Basen) zu einer enormen Ausweitung des Aminosäurerepertoires führen, bis zu 255 könnten verwendet werden.

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permissiveactionlink 18.05.2019, 22:53
8. #7, pjotrmorgen

Der Umstieg auf Basenquadruplets wäre allerdings tatsächlich weit mehr als ein Paradigmenwechsel. Es wäre ein echter Schöpfungsakt. Und mit unserer heutigen Technologie nicht einmal ansatzweise vorstellbar. Man müsste ja nicht nur alle Gene (und deren Länge) modifizieren, sondern auch die räumliche Struktur von Ribosomen bzw. deren Untereinheiten, sämtlichen genutzten t-RNAs und der sie mit Aminosäuren beladenden Enzyme (Aminoacyl-tRNA-Transferase), sowie fast alle auf DNA-Ebene arbeitenden Enzyme und Regulatorproteine neu programmieren. Die dafür erforderlichen Computer liegen weit außerhalb des momentanen wissenschaftlichen Horizontes. Unsere Chromosomen wären entweder größer, oder es gäbe mehr als 46. Die 255 möglichen Aminosäuren in Proteinen bei einem möglichen Stoppcodon sind allerdings keine wirklich gute Idee. Jede (!) Punktmutation würde sich ohne Redundanz sofort bemerkbar machen, nicht nur durch Veränderung der dann codierten Aminosäure, sondern bisweilen durch die zufällige Entstehung des Stoppquadruplets, wodurch es zum vorzeitigen Abbruch der Proteinbiosynthese in dem betroffenen Protein käme. Es gibt Gründe, warum die Natur ihre Codes mit Homophonen aufschreibt ! 41 Aminosäuren mit je sechs Quadruplets wären aber denkbar, zusammen mit 10 möglichen sehr ähnlichen Stoppquadruplets. Für ein Protein mit 100 Aminosäuren wären dann schon 41^100 verschiedene Ausführungen möglich, jedes davon codiert auf 6^100 = 6,5*10^77 verschiedene Nukleotidabfolgen. Statt zwei möglicher Ableseraster-Verschiebungen (Frameshift-Mutationen) gäbe es nun sogar drei. Quadruplets sind ein faszinierendes Gedankenexperiment, aber z.Z. pure Science Fiction ! PS : Man könnte alternativ auch neue Nukleotide kreieren, die auch wieder spezielle Paarungen mit einander bilden. Hat man davon statt vier acht, dann wären in einem Triplett 8^3 = 512 verschiedene Codons möglich !

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pjotrmorgen 19.05.2019, 11:10
9. @permissiveactionlik

Eine wegweisende Arbeit mit funktionierenden Quadrupletts gibt es schon aus dem Jahr 2004, siehe frei zugänglichen PNAS-Artikel https://www.pnas.org/content/101/20/7566
Die reale Forschung ist also technologisch schon viel weiter fortgeschritten als das, was Sie derzeit für unvorstellbar oder pure Science Fiction halten. Wie weit aktuelle Rechnerkapazitäten ausreichen, um jedes Molekül auf dem "Reissbrett" zu entwerfen, kann ich nicht beurteilen, wobei ohne Vergleichszahlen auch kein Urteil möglich ist, wie es Ihnen leicht von der Hand geht. Alles vorauszuberechnen ist aber nicht der sinnvollste methodische Ansatz. Typischerweise überlässt man diese Arbeit den Biomolekülen selbst, indem grosse Molekül-Bibliotheken oder vielfache Zellkulturansätze "gescreent" werden.

Dass jede Punktmutation das einzige Stopp-Quadruplett erzeugt, ist definitiv falsch. Je mehr Stopp-Quadrupletts vorhanden sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, durch Punktmuationen Syntheseabbrüche hervorzurufen. Redundanz in den Tripletts hat nur bedingt etwas mit der Unterdrückung von Punktmutationen zu tun, die sowieso nur in evolutionären Zeiträumen von 100000den bis Millionen Jahren eine Rolle spielen. Ausserdem gibt es für die Aminosäuren Methionin und Tryptophan jeweils nur ein Codon, das durch jede Punktmutation sofort eine andere AS einführt. Für manche AS gibt es bis zu sechs Codons, für andere viel weniger. Klar dürfte nur der Zusammenhang häufiger auftretende AS haben mehr Codons, wobei manche nur selten oder gar nicht verwendet werden, was Organismus-abhängig sein kann. Durch die Wobble-Basenpaarung der dritten Base im Codon kann die Zahl der tRNAs auf 30 bis 45 gesenkt werden, was ökonomischer ist. Für synthetische Organismen, deren Gensequenzen sowieso ständig analysiert würden, wäre das irrelevant.

Ein genetischer Code mit völlig neuen Basen ist tatsächlich eine interessante Idee und wiederum alles andere als Science Fiction, siehe https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8
Die Forscher haben gerade 2019 schon die vier neuen Basen S, B, P und Z zum genetischen Code hinzugefügt, sodass theoretisch Oktett-Codons möglich sind!

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