Alle DNA-Sequenzen der von Wissenschaftlern untersuchten Lebensformen werden in einer Datenbank gespeichert, die dem National Center for Biotechnology Information in den USA gehört. Am 1. April wurde ein neuer Eintrag in der Datenbank hinzugefügt: „Caulobacter ethensis-2.0“. Dies ist das erste vollständig computer-simulierte und anschließend synthetisierte synthetische Genom eines lebenden Organismus, das von Wissenschaftlern der ETH Zürich (Schweizerischen Technischen Hochschule Zürich) entwickelt wurde. Es sollte jedoch betont werden, dass, obwohl das Genom C. ethensis-2.0 erfolgreich als großes DNA-Molekül erhalten wurde, der entsprechende lebende Organismus bisher noch nicht existiert.
Die Forschungsarbeit wurde von Bit Kristen, Professor für experimentelle Systembiologie, und seinem Bruder Matthias Kristen, einem Chemiker, durchgeführt. Das neue Genom mit dem Namen Caulobacter ethensis-2.0 wurde durch Reinigung und Optimierung des natürlichen Codes des Bakteriums Caulobacter crescentus – einem harmlosen Bakterium, das weltweit in Süßwasser vorkommt – erstellt.
Vor über zehn Jahren schuf ein Team unter der Leitung des Genetikers Craig Venter die erste „synthetische“ Bakterie. Im Rahmen ihrer Arbeit synthetisierten die Wissenschaftler eine Kopie des Genoms Mycoplasma mycoides, das dann in eine Wirtszelle implantiert wurde, die nachfolgend vollkommen lebensfähig war und die Fähigkeit zur Selbstvermehrung behielt.
Die neue Studie setzt die Arbeit von Kraiger fort. Während die Wissenschaftler zuvor ein digitales Modell der DNA eines realen Organismus erstellt und darauf basierend ein Molekül synthetisiert hatten, geht das neue Projekt weiter und nutzt den ursprünglichen DNA-Code. Die Wissenschaftler haben ihn wesentlich umgestaltet, bevor sie ihn synthetisierten und die Funktionsfähigkeit überprüften.
Die Forscher begannen mit dem ursprünglichen Genom von C. crescentus, das 4000 Gene enthält. Wie bei allen lebenden Organismen tragen die meisten dieser Gene keine Informationen und sind „genetischer Müll“. Nach ihrer Analyse kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass nur etwa 680 von ihnen notwendig sind, um das Leben des Bakteriums im Labor aufrechtzuerhalten.
Nach der Entfernung der "Müll-DNA" und dem Erhalt des minimalen Genoms von C. crescentus setzte das Team seine Arbeit fort. DNA lebender Organismen ist durch eingebaute Redundanz gekennzeichnet, da die Synthese eines und desselben Proteins durch verschiedene Gene an mehreren Stellen der Kette kodiert wird. Die Forscher ersetzten mehr als 1/6 der 800.000 Buchstaben der DNA im Rahmen der Optimierung zur Beseitigung von dupliziertem Code.
"Dank unseres Algorithmus haben wir das Genom vollständig in eine neue Buchstabensequenz umgeschrieben, die nicht mehr der ursprünglichen ähnelt", sagt Bit Christen, Mitautor der Studie. "Dabei blieb die biologische Funktion auf der Ebene der Proteinproduktion unverändert."
Um zu überprüfen, ob die erhaltene Kette in einer lebenden Zelle ordnungsgemäß funktioniert, züchteten die Forscher einen Bakterienstamm, der sowohl das natürliche Caulobacter-Genom als auch Segmente des künstlichen Genoms in seiner DNA enthielt. Die Wissenschaftler schalteten einzelne natürliche Gene aus und prüften, ob ihre künstlichen Analogien dieselbe biologische Rolle übernehmen konnten. Das Ergebnis war ziemlich beeindruckend: Etwa 580 von 680 künstlichen Genen waren funktionsfähig.
"Dank des gewonnenen Wissens können wir unseren Algorithmus verbessern und eine neue Version des Genoms 3.0 entwickeln", sagt Christen. "Wir glauben, dass wir in naher Zukunft lebende Bakterienzellen mit einem vollständig synthetischen Genom erschaffen werden."
In der ersten Phase werden solche Studien Genetikern helfen, die Richtigkeit ihres Wissens über die DNA und die Rolle einzelner Gene zu überprüfen, da jeder Fehler bei der Synthese der Kette dazu führen kann, dass ein Organismus mit dem neuen Genom stirbt oder defekt ist. In Zukunft werden sie zur Schaffung synthetischer Mikroorganismen führen, die für vorab definierte Aufgaben entwickelt werden. Künstliche Viren werden in der Lage sein, gegen ihre natürlichen Verwandten zu kämpfen, während spezielle Bakterien Vitamine oder Medikamente produzieren werden.
Die Studie wurde in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.
Quelle: 3dnews.ru
