Gentechnik Forscher erschaffen Designer-Bakterium mit größtem künstlichen Erbgut

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.

E. coli (Illustration): Erbgut aus vier Millionen Basenpaaren
Science Photo Library/ Getty Images

E. coli (Illustration): Erbgut aus vier Millionen Basenpaaren

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Fast zehn Jahre ist es her, dass der umstrittene Gentechnik-Pionier Craig Venter erstmals einen Organismus mit künstlichem Erbgut erschaffen hat. Schon damals gab es ethische Bedenken: Was, wenn Forscher eines Tages das Erbgut des Menschen nachbauen und ihm Fähigkeiten verleihen können, die er natürlicherweise wohl nie entwickeln würde?

Aufgehalten hat das Forscher nicht. Sie hoffen, dass ihre künstlichen Organismen eines Tages Medikamente oder andere Stoffe herstellen, deren Produktion derzeit noch aufwendig und teuer ist. Dass Mikroorganismen Arzneien erzeugen, ist nicht ungewöhnlich. So stellen gentechnisch veränderte Bakterien etwa seit vielen Jahren das Hormon Insulin her, mit dem Diabetiker ihren Blutzuckerspiegel regulieren.

Den gleichen Bakterien, die Biochemiker für die Insulinproduktion verwenden, haben Forscher um Jason Chin von der Cambridge University nun ein synthetisches Erbgut eingesetzt. Es ist das größte künstliche Genom, das je produziert wurde, berichten die Forscher im Fachmagazin "Nature". Vier Millionen Basenpaare mussten die Wissenschaftler dafür im Labor kreieren. Zum Vergleich: Venters künstlicher Organismus enthielt nur rund eine Million solcher DNA-Bausteine.

Design am Computer

Zweieinhalb Jahre brauchten die Forscher für ihr Bakterium, das sie E. coli Syn61 getauft haben. Zunächst konzipierten sie es am Computer. Die Idee war, einen Organismus zu schaffen, der mit möglichst wenigen genetischen Informationen auskommt, sodass im Erbgut Platz für den Bauplan zusätzlicher Stoffe ist, die die Zelle sonst nicht herstellt.

Im Detail funktioniert das so:

Das Erbgut besteht aus vier Grundstoffen: Adenin, Cytosin Guanin und Thymin, abgekürzt als A, C, G und T. Diese werden im Erbgut in unterschiedlicher Reihenfolge zusammengebaut. Immer drei aufeinanderfolgende Stoffe geben der Zelle vor, welches Molekül herzustellen ist. GCG ist etwa der Code dafür, dass der Organismus die Aminosäure Alanin in ein Protein einbauen soll.

Natürliche Zellen nutzen 64 verschiedene solcher Dreifach-Codes, auch Codons genannt. Das Erbgut von Syn61 veränderten die Forscher allerdings so, dass es mit nur 61 Codons alle nötigen Aminosäuren produziert. So bleibt im Genom Platz für den Code von drei künstlichen Aminosäuren, mit deren Hilfe der Organismus Materialien mit vollkommen neuen Eigenschaften herstellen könnte. Das ist Chins Fachgebiet.

Lebender Organismus mit vollständig synthetischem Genom

Das künstliche Erbgut schleusten die Forscher mithilfe der Genschere Crispr nach und nach in eine normale E. Coli-Zelle ein, bis es den natürlichen Code ersetzt hatte. "Diese Arbeit hat einen lebenden Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom kreiert", berichtet Louise Funke, die in Chins Labor an den Zellen gearbeitet hat. Das synthetische Erbgut entscheide sich an gut 18.000 Positionen vom Original. Venters Kunstorganismus trug nur 25 Modifikationen.

Hinzu kommt eine weitere Besonderheit: E. Coli Syn61 kann nur sein eigenes Erbgut entschlüsseln. Es sei daher theoretisch nicht in der Lage mit natürlichen Organismen in Kontakt zu treten, da es deren genetischen Code nicht lesen könne. Viren hätten keine Chance, das Bakterium zu infizieren und andere Bakterien könnten keine Antibiotikaresistenzen an Syn61 weitergeben.

Bedenken, dass die Technik missbraucht werden könnte, haben die Forscher nicht. Dafür gebe es längst einfachere biotechnologische Methoden, argumentieren sie. Und die Sorge, dass eines Tages ein Mensch aus künstlichem Erbgut entsteht?

Neben großen ethischen Problemen, ist das auch technisch bislang nicht machbar. Menschliches Erbgut ist ein Vielfaches komplexer als das eines Bakteriums. 3,3 Milliarden Basenpaare müssten nachgebaut werden. Derzeit scheitern Forscher bereits am Genom der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae. Es besteht aus 12 Millionen Basenpaaren. Nur ein kleiner Teil davon konnte bislang künstlich hergestellt werden.



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permissiveactionlink 18.05.2019
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.
alexander.baehring 18.05.2019
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.
NixAlsVerdruss 18.05.2019
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.
hps 18.05.2019
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?
Harry1 18.05.2019
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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