Leben 2.0 rückt näher

Erbgut aus dem Reagenzglas: Forscher haben sechs Chromosomen der Hefe im Labor nachgebaut und erfolgreich in lebenden Zellen getestet. Damit ist nun ein Drittel eines ersten höheren Lebewesens mit komplett synthetischer und stark veränderter DNA fertiggestellt. Schon in zwei Jahren wollen die Forscher die ersten Hefezellen mit komplett künstlichem Erbgut schaffen, wie die im Fachmagazin „Science“ berichten.

Genforscher arbeiten schon lange daran, einen Organismus mit einem komplett im Labor konstruierten Erbgut zu erschaffen. Was manche eher an Frankenstein denken lässt, soll der Gentechnik neue Erkenntnisse über das Genom, aber auch ganz neue Möglichkeiten der Genmanipulation bringen.

Doch die Umsetzung ist nicht einfach: Der von der Vorbildzelle abguckte und im Computer zusammengestellte DNA-Code muss zunächst in vielen kleinen Abschnitten aus den vier Basenpaaren und dem DNA-Gerüst synthetisiert werden. Diese Erbgutschnipsel müssen dann in der korrekten Reihenfolge zusammengefügt und in eine vorher ihrer eigenen DNA beraubten Zelle eingeschleust werden.

Von der Bakterium-DNA zum Chromosom

Erst im Jahr 2010 gelang es Forschern erstmals, eine lebensfähige Bakterienzelle mit einem im Labor hergestellten Genom zu erzeugen. Eine noch viel größere Herausforderung jedoch stellen die Zellen von Eukaryoten dar. Denn bei Pilzen, Pflanzen, Tieren und Mensch ist das Erbgut in Hüllstrukturen verpackt und auf mehrere Chromosomen aufgeteilt.

Diese komplexen Strukturen nachzubauen, erfordert einiges mehr an Technik, Wissen und Aufwand als bei einer Bakterienzelle. Die mehr als 200 Forscher des Synthetic Yeast Project (Sc 2.0) arbeiten seit Jahren an dem Ziel, alle 16 Chromosomen einer Hefezelle zu synthetisieren und so lebensfähige Kunst-Organismen zu erzeugen. Im Jahr 2014 erzielten sie ihren ersten Durchbruch: Es gelang ihnen, erstmals, Hefe mit einem ersten künstlichen Chromosom herzustellen.

Sechs künstliche Chromosomen

Jetzt vermelden die Wissenschaftler des Synthetic Yeast Projects einen weiteren Meilenstein: Sie haben inzwischen sechs Chromosomen der Bäckerhefe konstruiert und erfolgreich in lebende Hefezellen eingebaut. Gut ein Drittel des Hefegenoms ist damit bereits synthetisch nachgebaut. Zudem sind weitere Chromosomen bereits in Arbeit.

Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist ein beliebter Modellorganismus für eukaryotische Zellen. © Mogana Das Murtey, Patchamuthu Ramasamy /CC-by-sa 3.0

„Alle Kombinationen dieser synthetischen Chromosomen regulierten erfolgreich das Wachstum von diploiden Hefezellen, auch wenn ihre natürlichen Gegenstücke fehlten“, berichten Sarah Richardson von der Johns Hopkins University in Baltimore und ihre Kollegen. Das größte der synthetischen Chromosomen umfasst mehr als eine Million Basenpaare – es ist damit das größte jemals im Labor erzeugte Chromosom.

Maßgeschneidertes Erbgut

Wie die Forscher berichten, sind die künstlichen Chromosomen keine reinen Kopien ihrer natürlichen Vorbilder. Stattdessen verschoben die Wissenschaftler viele DNA-Abschnitte von einem Chromosom auf ein anderes. Andere Sequenzen schnitten sie heraus, weil sie ihren Erkenntnissen nach keine entscheidende Funktion besitzen.

Trotz dieser insgesamt tausenden von Änderungen und der Umverteilung des Erbguts zwischen den Chromosomen wuchsen die Hefen nach dem Einpflanzen dieses Erbguts normal, wie die Forscher berichten. „Bisher sind wir auf keine fundamentalen Hindernisse gestoßen“, sagt Joel Bader von der Johns Hopkins University. „Wir sind daher voll im Zeitplan.“

Die Projektforscher planen, noch innerhalb der nächsten zwei Jahre auch die restlichen zehn Hefechromosomen zu synthetisieren und in Hefezellen einzubauen. In einem weiteren Schritt wollen sie der Hefe ein zusätzliches, 17. Chromosom verleihen. Auf diesem komplett künstlichen Gebilde sollen alle für die Proteinproduktion der Zellen nötigen Kontrollgene zusammengefasst sein.

Gemischte Aussichten

„Diese Arbeit bereitet die Bühne für die Vollendung von maßgeschneiderten künstlichen Genomen, die den Bedürfnissen der Medizin und Industrie entsprechen“, meint Jef Boeke vom New York University Langone Medical Center. Gerade die Hefe sei ein wichtiger Helfer bei der Produktion von medizinischen und biotechnischen Wirkstoffen – und dank des künstlichen Genoms lasse sie sich künftig noch besser optimieren.

Während die Wissenschaftler des Synthetic Yeast Projects darin vor allem Grund zu Freude sehen, dürften andere solche Eingriffe in die Natur weitaus skeptischer sehen. Denn welche Risiken die massenhafte Produktion von maßgeschneiderten und mit Design-DNA versehenen Lebewesen bringt und welche ethischen Fragen sich dadurch ergeben, ist bisher kaum erforscht oder diskutiert. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aaf4557)

(AAAS/ Johns Hopkins Medicine / Langone Medical Center, 10.03.2017 – NPO)