Ein internationales Forscherteam hat Bakterien dazu gebracht, sich im Laufe von 1.000 Generationen an vollkommen giftige Umweltbedingungen anzupassen. Erreicht haben sie dies durch den Austausch einer der vier Grundbausteine der Erbsubstanz gegen eine giftige Chlorverbindung. Dieses jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ vorgestellte Verfahren der künstlichen Selektion könnte dazu beitragen maßgeschneiderte Mikroben beispielsweise für den Abbau von Umweltgiften oder die Herstellung von medizinischenWwirkstoffenzu erzeugen.
Die „synthetische Biologie“ ist eine relativ neue Richtung in den Lebenswissenschaften, bei der Forscher gezielt nicht in der Natur vorkommende Organismen erzeugen. Im Gegensatz zur klassischen Züchtung oder Genmanipulation werden dafür aber keine Bausteine bereits existierender Lebewesen in andere Arten eingebracht, sondern synthetische, in der Natur normalerweise nicht vorkommende Komponenten. Solche maßgeschneiderten Lebewesen könnten dann beispielsweise einen Stoffwechsel besitzen, der speziell an die Erschließung alternativer Energiequellen oder die Herstellung bestimmter medizinischer Wirkstoffe angepasst ist.
Gift statt Base Thymin als vierter Genbaustein
Ein Team von Wissenschaftlern unter Leitung von Rupert Mutzel von der Freien Universität Berlin und Philippe Marlière vom Bioforschungsunternehmen Heurisko USA Inc hat nun untersucht, wie sich der Einbau eines synthetischen Bausteins auf die weitere Evolution von Bakterien auswirkt. Für ihr Experiment erzeugten die Forscher zunächst einen Stamm von Escherichia- coli-Bakterien, die gentechnisch so verändert waren, dass sie die DNA- Base Thymin nicht mehr selbst herstellen konnten. Während die drei anderen Basen Adenin, Cytosin und Guanin erhalten blieben, musste die Mikrobe den Baustoff für die vierte Base aus der Umwelt entnehmen. Ziel der Forscher war es, den vierten DNA-Baustein Thymin durch einen synthetischen, für andere Organismen giftigen Baustein, 5-Chloruracil auszutauschen.
Gelenkte Selektion bewirkt Anpassung an Giftstoff
Um das zu erreichen, züchteten Mutzel und seine Kollegen große Populationen dieser veränderten Coli-Bakterien über viele Generationen hinweg. In das Nährmedium der Zellkulturen gaben sie dabei jeweils eine gerade noch tolerierte Menge des Giftstoffs 5-Chloruracil. Weil dessen Struktur der des Thymins ähnelt, begannen nach und nach immer mehr Bakterien, ihre Genom und ihren Stoffwechsel so zu verändern, dass sie diese Substanz unbeschadet als vierte Base in ihr Genom einbauen konnten.
Die Forscher erhöhten die Konzentration des Gifts im Nährmedium automatisch immer dann, wenn genetische Varianten auftauchten, die größere Mengen davon tolerierten.
Mit diesem Verfahren der automatisierten, gerichteten Selektion wurden die Mikroben im Lauf von etwa 1.000 Generationen daran angepasst, als Ersatz für Thymin ausschließlich Chloruracil zu verwenden. Wie die anschließende Analyse der evolvierten Genome zeigte, kam es während des
Anpassungsprozesses zu vielfältigen Veränderungen in der DNA der Bakterien. Welchen Beitrag einzelne dieser Mutationen zur Anpassung an das Chlorderivat liefern, soll nun in Folgearbeiten untersucht werden.
Geringeres Umweltrisiko als genmanipulierte Mikroben
Synthetische Organismen, wie die jetzt experimentell evolvierten Bakterien, könnten in Zukunft zu verschiedensten Zwecken von der Umweltsanierung bis zur Erschließung chemischer Energiequellen eingesetzt werden. Weil ihr Erbmaterial nicht natürlich vorkommende Bausteine enthält und sie für ihre Entwicklung diese Substanzen benötigen, ist das Risiko einer unkontrollierten Vermehrung bei der Freisetzung nach Einschätzung der Forscher eher gering. Auch ein Austausch von Genen mit anderen Bakterienstämmen – eines der Risiken bei gentechnisch manipulierten Mikroben – ist wegen der abweichenden Grundstruktur ihrer DNA nicht möglich. (Angewandte Chemie, 2011; DOI: 10.1002/ange.201100535)
(Freie Universität Berlin, 29.06.2011 – NPO)
