Do-It-Yourself-Erbmaterial

„Was ich nicht erschaffen kann, kann ich nicht verstehen.“ Dieses Zitat des Physikers und Nobelpreisträgers Richard Feynman trifft auch auf einen Zweig der Biologie des 21. Jahrhunderts zu: In der synthetischen Biologie versuchen Wissenschaftler, Zellen nachzubauen, um ihre komplexen Funktionen zu verstehen. „Bereits im Jahr 2010 präsentierten Forscher in den USA eine Bakterienzelle mit einem künstlich hergestellten Erbgut“, berichtet Michael Bott, Mikrobiologe am Forschungszentrum Jülich und Partner der Helmholtz-Initiative Synthetische Biologie. Im Frühjahr 2014 verkündeten Jef Boeke von der Johns Hopkins-Universität im US-amerikanischen Baltimore und seine Kollegen im Fachblatt Science einen weiteren Meilenstein: Sie hatten erstmals ein komplettes Chromosom eines höheren Lebewesens nachgebaut. Ihr Versuchsorganismus war die Bäckerhefe.

Die Bäckerhefe ist ein eher einfacher Vertreter der so genannten Eukaryoten, zu denen Pilze sowie alle Pflanzen und Tiere gehören. Doch im Vergleich zu Bakterien ist ihr Erbmaterial komplexer aufgebaut und in mehreren Chromosomen organisiert. Rund 13 Millionen DNA-Bausteine verteilen sich auf 16 Chromosomen. Eines der kleinsten – mit immerhin 316.667 Bausteinen – haben die US-Forscher in einer siebenjährigen Sisyphos-Arbeit zusammengebaut. Dabei haben sie nicht Baustein für Baustein aneinander gereiht, sondern bereits vorgefertigte, aus etwa 70 Bausteinen bestehende Elemente verwendet. Die Bauelemente setzten sie zu längeren Einheiten zusammen, um sie dann nach und nach gegen die entsprechenden Teile eines natürlichen Hefechromosoms auszutauschen. Genau genommen haben sie also kein Chromosom neu gebaut, sondern es rundum erneuert.

Die Forscher hielten sich dabei allerdings nicht hundertprozentig an die gut bekannte Vorlage des Hefe-Chromosoms: Sie veränderten es an verschiedenen Stellen, um später besser daran forschen zu können. Sie ließen beispielsweise etliche Bausteine weg, die sie als entbehrlich identifiziert hatten. So auch Gene, von denen sie wussten, dass sie eine Rolle bei der Anpassung der Hefe an unterschiedliche Temperaturen spielen. Ein Trick, der den Forschern nicht nur Arbeit ersparte, sondern auch sicherstellte, dass die Hefe außerhalb des Labors nicht überleben kann.

Außerdem flankierten sie rund 100 Gene mit DNA-Schnipseln, die von bestimmten Enzymen – den Rekombinasen – erkannt werden. Diese ursprünglich aus Viren stammenden Enzyme schneiden spezifische DNA-Abschnitte aus dem Erbgut heraus und bauen sie an einer anderen Stelle wieder ein. Dadurch wird das Erbgut praktisch neu gemischt und so etwas wie eine beschleunigte Evolution initiiert. In den meisten Fällen führt die Neu-Organisation zum Absterben der Zelle oder beeinträchtigt sie in ihren Funktionen. Es gibt aber auch Fälle, bei denen Hefezellen mit neuen Eigenschaften entstehen. Etwa der, dass sie einen bestimmten Stoff effektiver produzieren. Da die Hefe nicht nur fürs Bierbrauen und Brotbacken wichtig ist, sondern auch ein wichtiger Produktionsorganismus in der Biotechnologie, erhoffen sich die Wissenschaftler durch die Neukombinationen besonders Vorteile in diesem Bereich.

Jef Boeke und seine Kollegen wollen in den nächsten Jahren das komplette Genom der Hefe nachbauen. Auf andere, höhere Lebewesen sind die Arbeiten aber nicht ohne weiteres übertragbar. Die Genome von Pflanzen oder Tieren sind um ein Vielfaches komplexer. Harald König vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erklärt: „Der Weg zu einem künstlichen Säugetierchromosom ist noch sehr weit.“

Zur Pressemeldung des NYU Langone Medical Center (in Englisch)