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 in der Datenbank ein neuer Eintrag hinzugefügt: „Caulobacter ethensis-2.0“. Dies ist das erste vollständig am Computer modellierte und anschließend synthetisierte synthetische Genom eines lebenden Organismus, entwickelt von Wissenschaftlern der ETH Zürich. Es ist jedoch zu betonen, dass, obwohl das Genom von C. ethensis-2.0 erfolgreich als große DNA-Molekül hergestellt wurde, der entsprechende lebende Organismus bisher noch nicht existiert.
Die Forschungsarbeit wurde von Bit Christen, Professor für experimentelle Systembiologie, und seinem Bruder Mattias Christen, Chemiker, durchgeführt. Das neue Genom, benannt nach Caulobacter ethensis-2.0, wurde durch die Reinigung und Optimierung des natürlichen Codes des Bakteriums Caulobacter crescentus – einer harmlosen, weltweit in Süßwasser lebenden Bakterienart – erstellt.
Vor über zehn Jahren entwickelte ein Team unter der Leitung des Genetikers Craig Venter die erste „synthetische“ Bakterie. Im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten die Wissenschaftler eine Kopie des Genoms von Mycoplasma mycoides, die dann in eine Trägerszelle implantiert wurde, die daraufhin vollständig lebensfähig war und die Fähigkeit zur Selbstvermehrung behielt.
Eine neue Studie setzt die Arbeit von Craig Venter fort. Während zuvor Wissenschaftler ein digitales Modell der DNA eines echten Organismus erstellt und basierend darauf ein Molekül synthetisiert hatten, geht das neue Projekt weiter und nutzt den originalen DNA-Code. Die Forscher haben diesen erheblich überarbeitet, bevor sie ihn synthetisierten und die Funktionalität testeten.
Die Forscher begannen mit dem originalen Genom von C. crescentus, das 4000 Gene enthält. Wie bei jedem lebenden Organismus enthält der Großteil dieser Gene keine Informationen und wird als „Junk-DNA“ bezeichnet. Nach der durchgeführten Analyse kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass nur etwa 680 von ihnen für das Überleben des Bakteriums im Labor erforderlich sind.
Nachdem das „Müll-DNA“ entfernt und das minimale Genom von C. crescentus erhalten wurde, setzte das Team seine Arbeit fort. DNA lebender Organismen weist eine eingebaute Redundanz auf, bei der dasselbe Protein von verschiedenen Genen an unterschiedlichen Stellen der Kette kodiert wird. Die Forscher ersetzten mehr als 1/6 der 800.000 Buchstaben der DNA während der Optimierung zur Entfernung von dupliziertem Code.
„Dank unseres Algorithmus haben wir das Genom vollständig in eine neue Buchstabensequenz umgeschrieben, die nicht mehr mit der ursprünglichen vergleichbar ist“, sagt Bit Kristen, Mitautor der Studie. „Trotzdem blieb die biologische Funktion auf der Ebene der Proteinsynthese unverändert.“
Um zu überprüfen, ob die erhaltene Kette in einer lebenden Zelle ordnungsgemäß funktioniert, züchteten die Forscher einen Stamm von Bakterien, der sowohl das natürliche Genom von Caulobacter als auch Segmente eines künstlichen Genoms enthielt. Die Wissenschaftler schalteten einzelne natürliche Gene aus und testeten die Fähigkeit ihrer künstlichen Analogien, dieselbe biologische Rolle zu übernehmen. Das Resultat war recht beeindruckend: Etwa 580 von 680 künstlichen Genen erwiesen sich als funktionsfähig.
„Dank des gewonnenen Wissens können wir unseren Algorithmus verbessern und eine neue Version des Genoms 3.0 entwickeln“, sagt Kristen. „Wir glauben, dass wir in naher Zukunft lebende Bakterienzellen mit einem vollständig synthetischen Genom erschaffen werden.“
In der ersten Phase werden solche Studien den Genetikern helfen, die Richtigkeit ihres Wissens über DNA und die Rolle einzelner Gene darin zu überprüfen, da jeder Fehler bei der Synthese der Kette dazu führen kann, dass der Organismus mit dem neuen Genom stirbt oder nicht funktionsfähig ist. In Zukunft könnten sie zur Schaffung synthetischer Mikroorganismen führen, die für vordefinierte Aufgaben entwickelt werden. Künstliche Viren könnten gegen ihre natürlichen Verwandten kämpfen, während spezielle Bakterien Vitamine oder Medikamente produzieren werden.
Die Studie wurde im Journal PNAS veröffentlicht.
Quelle: 3dnews.ru
