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Erstes Chromosom aus dem Labor: Ein Schritt in Richtung künstliches Leben

Für Wissenschaftler ist es ein Traum, für manchen klingt es schaurig: Forschern ist es erstmals gelungen, im Labor einen komplexen Organismus zu bauen, der einen Teil künstliches Erbgut enthält.

Von Lea Wolz

Die bildliche Darstellung zeigt die Veränderungen, die Forscher an dem künstlichen Chromosom vorgenommen haben.

Die bildliche Darstellung zeigt die Veränderungen, die Forscher an dem künstlichen Chromosom vorgenommen haben.

Die Versprechen der synthetischen Biologie sind groß: Forscher wollen mit ihrer Hilfe Organismen am Reißbrett entwerfen und dann im Labor nachbauen. Künstliches Leben, das gleichsam nach dem Willen seiner Schöpfer funktioniert. Viele Hoffnungen ruhen auf diesen kleinen Mikroorganismen: Mit ihnen soll es etwa möglich sein, Wirkstoffe für Arzneimittel, Kraftstoffe oder andere chemische Substanzen herzustellen - eine maßgeschneiderte Produktion in kleinsten Fabriken.

Noch ist das Zukunftsmusik, doch US-Forschern ist nun ein wichtiger Schritt auf dem Weg dorthin geglückt: Sie haben zum ersten Mal ein Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern nachgebaut. Bei Bakterien und Viren war dies in den vergangenen Jahren bereits gelungen. Doch bei Lebewesen mit Zellkern, den sogenannten Eukaryoten, zu denen neben Pflanzen und Tieren auch der Mensch zählt, ist dies deutlich komplizierter.

Für ihre Experimente hat sich das Team um Jef Boeke vom Langone Medical Center in New York und Srinivasan Chandrasegaran von der Johns Hopkins Universität in Baltimore einen der am besten studierten Modellorganismen ausgesucht: die Hefe. Der Pilz wird bereits jetzt in der biotechnischen Industrie eingesetzt, um Biokraftstoffe, Medikamente und Chemikalien zu produzieren. Optimiert durch im Labor designte Chromosomen könnte die Hefe bessere Ergebnisse liefern, hoffen die Wissenschaftler - etwa bei der Herstellung von Malaria-Medikamenten oder umweltfreundlicheren Biokraftstoffen.

Komplexer Organismus

Die Hefe ist aber nicht nur ein gut untersuchter Organismus. Die Struktur ihres Erbguts ist zugleich komplizierter als beispielsweise die eines Bakteriums. Boeke und sein Team haben sich mit der Hefe daher für ihre Experimente einen komplexeren Organismus gewählt als der Pionier der Biotechnologie Craig Venter. Dieser hatte 2010 unter großem medialen Rummel von seinem Forschungserfolg berichtet: Ihm war es gelungen, künstliches Erbgut - Forscher sprechen vom Genom - in ein Bakterium einzuschleusen. Zum Vergleich: Mit 12 Millionen Erbgutbausteinen haben die Hefezellen, mit denen Jef Boeke und sein Team arbeiten, zwölf Mal so viel Erbgutinformation wie das Bakterien-Genom, das Venter verwendete.

Allerdings sind die Forscher auch nicht ganz so weit gegangen: Sie haben nicht das komplette Genom ersetzt, sondern lediglich ein Chromosom. Die Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) besitzt 16 verschiedene Chromosomen, auf diesen befinden sich die Erbgutinformationen. Die Abfolge dieser Erbgutbausteine der Hefe wurde bereits 1996 vollständig entschlüsselt. Boeke und sein Team konnten also auf reichlich Wissen zurückgreifen. Vorarbeiten zu der Studie, die nun im Fachmagazin "Science" erschienen ist, hatten die Forscher bereits 2011 veröffentlicht.

Im Labor bauten sie nun das Chromosom III der Hefe, das drittkleinste der 16 Chromosomen, nach - und griffen in seinen Bauplan ein. Am Computer spielten die Forscher zunächst Veränderungen an der Sequenz der Erbgutbausteine durch: Sie entfernten überflüssige und sich wiederholende Abschnitte, fügten aber auch Basenpaare hinzu. Diese dienten dazu, die synthetische DNA zu erkennen oder bestimmte Gene neu zu kombinieren oder zu löschen.

Ein Fehler und die Zelle stirbt

"Wenn Du das Genom veränderst, zockst Du", sagt Boeke. "Eine falsche Veränderung und die Zelle stirbt." Doch die Forscher hatten Erfolg. Sieben Jahre dauerte es allerdings, bis sie das künstliche Chromosom gebaut hatten. Kooperationspartner von Unis aus China, Australien, Singapur, den USA und England unterstützten das Projekt "Synthetic Yeast 2.0", an dem auch viele Studenten beteiligt waren.

Das Ergebnis - "synIII", das erste synthetische Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern - ist mit gut 272.000 Bausteinen etwas kleiner als sein Original. Dieses hat etwa 316.000 Basenpaare. Dafür unterscheidet sich sein Bauplan deutlich. "Wir haben mehr als 50.000 Veränderungen im DNA-Code der Chromosomen vorgenommen und unsere Hefe lebt immer noch", sagt Boeke. "Das ist beachtlich." Die Hefezellen mit dem künstlichen Chromosom waren dem Forscher zufolge funktionsfähig: "Sie verhalten sich nahezu wie natürliche Hefe, sie besitzen lediglich zusätzliche Fähigkeiten."

In einem weiteren Schritt testeten die Forscher, welche Gene für das Überleben der Hefe notwendig sind. Je nachdem welche Erbgutbausteine sie veränderten oder löschten, teilten sich die Hefezellen mal schneller und mal langsamer. Ihre Technik beschreiben die Wissenschaftler als eine Art Umrühren des Erbgutes. Die Gene werden dabei - wie Karten auf der Hand - kräftig gemischt und verschoben. "So können wir verschieden Kartenstapel kombinieren, die Ordnung verändern und mehrere Millionen verschiedener Szenarien durchspielen. Damit lässt sich überprüfen, ob wir die Erbgut-Karten so mischen können, dass die Hefe bestimmte Bedingungen besser verträgt, etwa einen höheren Alkoholgehalt", sagt Boeke.

"Unsere Forschung verschiebt den Zeiger bei der synthetischen Biologie von der Theorie zur Machbarkeit", sagt der Forscher. Andere Arbeitsgruppen sind bereits dabei, weitere Chromosomen der Hefe nachzubauen. Boeke ist daher überzeugt: Innerhalb von vier Jahren wird es möglich sein, eine Hefezelle mit komplett künstlichem Kern zu erschaffen.

Ob diese dann tatsächlich in der Biotechnologie zum Einsatz kommt, ist offen. Kirsten Benjamin, Expertin für synthetische Biologie bei der US-Firma Amyris, vermutet, dass die Hefezellen umso kranker werden, je mehr synthetische DNA sie enthalten. Dass sie industriell verwendet werden, glaubt sie daher nicht.