Zum ersten Mal haben Wissenschaftler ein ganzes Genom von einem Bakterium in einer Hefezelle geklont, dort manipuliert und dann wieder zurück in ein Bakterium transferiert. Dieser Transfer zwischen zwei grundlegenden Gruppen der Lebewesen, den zellkernlosen Bakterien und den zellkerntragenden Eukaryonten, eröffnet neue Möglichkeiten der gentechnischen Manipulation, aber auch der Erzeugung von synthetischen Organismen, wie die Forscher in „Science“ berichten.
Schon seit einigen Jahren arbeiten Wissenschaftler am J. Craig Venter Institute (JCVI) in den USA daran, künstliche Genome und letztlich künstliche Organismen zu erstellen, um die Palette der gentechnischen Möglichkeiten zu erweitern. 2007 war es ihnen erstmals gelungen, das komplette Genom einer Bakterienart, Mycoplasma mycoides, in eine zweite, Mycoplasma capricolum, zu übertragen. Beide gehören zu den zelllwandlosen Bakterien. Als Folge veränderte sich die ursprünglich M. capricolum-Merkmale tragende Zelle und wandelte sich auch äußerlich in M. mycoides um. Damit war der Beweis erbracht, dass die DNA allein auch den Phänotyp, das Aussehen, der Bakterienzellen bestimmt.
Künstliches Genom zusammengebaut aus DNA-Fragmenten
Als nächsten Schritt konstruierten die Genforscher im Jahr 2008 das erste synthetische Bakteriengenom, indem sie DNA-Fragmente zu einem ganzen Genom zusammenmontierten. Dieser Zusammenbau erfolgte in Hefezellen unter Nutzung der zelleigenen genetischen Reparatursysteme der Hefe. Damals allerdings scheiterte jeder Versuch, das so zusammengebaute bakterielle Erbgut auch wieder zurück in eine Bakterienzelle zu verpflanzen. Aber warum?
Die Ursache für diesen Fehlschlag haben die Wissenschaftler nun herausgefunden: Offenbar ist die Verpackung der DNA-Stränge für eine erfolgreiche Transplantation entscheidend. Bei der gelungenen Verpflanzung von einem Bakterium in ein anderes lag die DNA im methylierten Zustand vor. Dabei lagern sich kleine Moleküle, die Methylgruppen, an bestimmte Stellen des Genoms an und schützen es vor dem Abbau durch so genannte Restriktionsenzyme, Proteine, die darauf geeicht sind, die DNA-Sequenz an bestimmten Stellen zu schneiden.
Bakterien-DNA in Hefe geklont
In einem neuen Versuch klonten die Forscher zunächst das Genom des M. mycoides-Bakteriums und ließen es in Hefezellen wachsen. Dabei ergänzten sie den bakteriellen Genstrang durch ein Zentromer aus der Hefe, den Bereich, in dem bei einem Chromosom die beiden Untereinheiten verknüpft sind. Zum ersten Mal nutzen sie dabei gezielt die zellulären Werkzeuge der Hefezelle um ein artfremdes, in diesem Falle ein Bakteriengenom zu manipulieren.
Anschließen isolierten die Genforscher das so präparierte Genom wieder aus der Hefe und fügten Methylase-Enzyme von M. mycoides hinzu, um das geklonte Bakteriengenom so – quasi im Reagenzglas – zu methylieren. Als die Wissenschaftler dann das so gebildete Chromosom zurück in eine M. capricolum-Bakterienzelle übertrugen, gelang der Transfer. Das in der Hefe geklonte Erbgut wurde vom Zellstoffwechsel erkannt und ausgelesen. Damit war es erstmals gelungen, das in der Hefe – einem zu den Eukaryonten und damit völlig anderen Organismenstamm gehörenden – geklonte Gen eines Bakteriums in die Zelle einer anderen Bakterienart zu überführen.
Um nun herauszufinden, ob wirklich die Restriktionsenzyme der Empfängerzelle schuld am Abbau der ungeschützten DNA waren, führten die Forscher einen weiteren Versuch durch, in dem sie die Gene für die Restriktionsenzyme aus dem Erbgut der M. capricolum entfernten. Wurde dann das geklonte M.mycoides-Genom in diese Restriktionsenzym-freie Zelle eingeschleust, blieb es auch ohne Methylierung intakt.
Neue Möglichkeiten der Genmanipulation
Die neue Methode liefert nicht nur die Möglichkeit, ein Bakteriengenom in der Hefe zu klonen und zu manipulieren als wenn es ein Hefegenom wäre. Sie ermöglicht es auch, ein so modifiziertes Erbgut anschließend in eine andere Bakterienzelle einzuschleusen und so einen völlig neuen Mikrobenstamm zu erzeugen.
„Die Fähigkeit, bakterielle Genome in der Hefe zu manipulieren ist ein wichtiger Fortschritt, weil er die Nutzung der Zellwerkzeuge der Hefe auf die Bakterien erweitert“, erklärt Sanjay Vashee vom JCVI. „Wenn dies auch auf andere Bakterienarten ausgedehnt werden kann, dann könnten diese Methoden zukünftig zum Laboralltag bei der gentechnischen Veränderung von Organismen gehören.“
Weg frei zum künstlichen Bakterium
Den Genforschern um Labor von Craig Venter eröffnet es außerdem endlich den letzen noch fehlenden Schritt zu ihrem Ziel, ein synthetisches Bakterium zu erzeugen: Denn jetzt können sie als nächstes das von ihnen 2008 aus DNA-Fragmenten erzeugte Bakteriengenom zurück in eine Bakterienzelle schleusen ohne dass es zerstört wird.
„Ich glaube, dass diese Arbeit große Bedeutung für das Verständnis einiger fundamentaler Prinzipien der Biologie hat und das es uns ermöglichen wird, auch die letzen Phasen in der Erzeugung und dem zum Leben erwecken eines synthetischen Genoms zu erreichen“, erklärt Hamilton Smith, einer der Projektforscher. „Dies ist wahrscheinlich einer der wichtigsten neuen Erkenntnisse im Bereich der synthetischen Genomics.“
Sollte sich diese Einschätzung bewahrheiten, kämen jedoch auch ganz neue ethische Fragen und Risiken auf die Menschheit zu. Denn damit wäre eine sehr viel umfangreichere Manipulation von Erbgut möglich als bisher.
(J. Craig Venter Institute, 24.08.2009 – NPO)
