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Das erste künstliche Leben

Von Anke Fossgreen. Aktualisiert am 21.05.2010 10 Kommentare

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US-Forscher haben erstmals ein Bakterium mit einem komplett im Labor nachgebauten Erbgut hergestellt. In der Biologie ist eine neue Ära angebrochen.

Bakterien mit künstlich hergestelltem Erbgut.

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Die neuen Stars im Labor sind winzig klein, mit blossem Auge nicht sichtbar. Auch unter dem Mikroskop wirken die kugelrunden Bakterien unscheinbar. Und doch sind diese Zellen eine Sensation. Derartige Lebewesen hat es noch nie gegeben. Denn das komplette Erbgut dieser Bakterien haben Forscher im Labor zusammengesetzt. Und dass diese künstlich hergestellte DNA bestens funktioniert, zeigen die agilen Miniwesen nun täglich: Sie wachsen rasant, bilden alle nötigen Eiweisse und vermehren sich fleissig.

Dieser Coup gelang einem Team unter Leitung des Genpioniers J. Craig Venter, das seit Jahren auf diesen Tag mit Hochdruck hingearbeitet hat. Heute hat Daniel Gibson zusammen mit seinem Chef Venter und zahlreichen Kollegen von den J. Craig Venter Institutes in Rockville bei Washington und in San Diego seine Ergebnisse im Fachmagazin «Science» veröffentlicht.

Mikroorganismen nach belieben zusammenzusetzen

Bisher hat das US-Team zwar lediglich das bekannte natürliche Erbgut des Bakteriums Mycoplasma mycoides nachgebaut. Das Ziel ist es jedoch, zukünftig Mikroorganismen nach belieben im Labor zusammenzusetzen: beispielsweise Bakterien, die aus Sonnenlicht oder nachwachsenden Rohstoffen Energie produzieren; Zellen, die chemische Vorläufer von Plastik oder Textilien bilden oder Organismen, die Medikamente produzieren. Die Liste der möglichen Anwendungen ist lang. Bis jetzt waren es jedoch nur Visionen, von denen die Forscher vom Fachgebiet synthetischer Biologie schwärmten. Jetzt stehen die Techniken und Methoden zur Verfügung, um richtig loszulegen. «Diese Arbeit zeigt, dass das Prinzip funktioniert, Zellen herzustellen, deren Genomsequenz am Computer erdacht wurde», schreiben Gibson und seine Mitarbeiter in ihrer Veröffentlichung.

So einfach, wie es klingt, ist es jedoch nicht, ein komplettes Genom zusammenzubauen. «Das war ein herkulisches Stück Arbeit», kommentiert Sven Panke, der auf dem gleichen Gebiet an der ETH Zürich forscht, die Ergebnisse seiner Kollegen. «Eine Million Basenpaare, DNA-Bausteine, synthetisieren zu lassen und zu einem Genom zusammenzufügen, ist etwas, das im Moment nur Venters Leute können.»

Panke selbst arbeitet mit seiner Gruppe im «bescheideneren Massstab». Auch er plant, Lebewesen wie ein Ingenieur zusammenzubauen und dann mit Leben zu füllen. Panke ergründet, wie bestimmte Stoffwechselwege funktionieren und welche Faktoren in der Zelle daran beteiligt sind. «Wenn wir wissen, welche Gene für bestimmte Prozesse nötig sind, dann können wir sie miteinander kombinieren und nach Bedarf in Mikroorganismen einfügen», so der Plan. Bisher hat Panke 5000 Basenpaare, also DNA-Buchstaben, zusammengesetzt, in zwei bis drei Jahren sollen es 15'000 sein.

Wissen, Geld und gute Leute

Auch der Weg, den Venter und sein Team beschritt, war steinig. Dabei hat Venter ein einzigartiges Knowhow, herausragende Forscher – darunter den Nobelpreisträger Hamilton Smith – als Mitarbeiter und genügend Geld zur Verfügung, um seine zukunftsweisenden Ideen umzusetzen.

Die Vorarbeiten zu seinem neuesten Erfolg begannen vor 15 Jahren. Damals versuchte Venter herauszufinden, welche Gene für das Bakterium Mycoplasma genitalium überlebenswichtig sind. Oder anders formuliert, wollte er wissen, mit wie wenig Genen ein Lebewesen auskommt.

Von rund 480 Genen, 100 überflüssig

Mycoplasma genitalium ist besonders für solche Versuche geeignet, denn der kleine Erreger von Harnröhrenentzündungen besitzt die wenigsten Gene von allen bekannten Organismen, die sich selbstständig vermehren können. Von seinen rund 480 Genen, seien 100 überflüssig, so das Ergebnis.

Doch Venters Team wechselte zu einem etwas komplizierteren Verwandten, zu Mycoplasma mycoides, weil er im Labor schneller wächst. In der Natur befällt das Bakterium Schafe und Ziegen, ein milder Krankheitserreger. In mehreren Schritten setzten die Forscher das Genom von Mycoplasma mycoides zusammen. Zunächst synthetisierten darauf spezialisierte Firmen grosse DNA-Moleküle, die etwa 6000 Buchstaben lang waren. Die eigentliche Arbeit war es nun, diese Stücke zusammenzufügen. Dazu benötigten die Tüftler die Hilfe von Hefezellen, denn diese besitzen entsprechende Werkzeuge, die eigentlich dazu dienen, beschädigte DNA zu reparieren.

Nicht alles reibungslos

Doch es lief nicht alles reibungslos: «Unser Erfolg wurde um viele Wochen verzögert, da eine einzige Base, ein einzelner Buchstabe, in einem wichtigen Gen fehlte», erklären die Forscher. Um DNA im Labor zusammenzubauen kommt es auf grösste Genauigkeit an. Moderne Maschinen sind dazu heute besser in der Lage. Dennoch mussten die Forscher beständig kontrollieren, ob die Buchstabenabfolge der DNA-Teilstücke korrekt war.

Um die maschinell hergestellte DNA von natürlicher zu unterscheiden, haben die Wissenschaftler spezielle Erkennungssequenzen eingebaut, die sie «Wasserzeichen» nennen. Als es schliesslich gelang, das riesige künstliche DNA-Molekül aus den Hefepilzen unversehrt herauszulösen, fügten es die Forscher in eine andere Mycoplasmenart ein, einen Keim, der die Lungen von Ziegen befällt, das Ziegenseuche-Bakterium Mycoplasma capricolum. Nur so konnte ein Erfolg auf Anhieb sichtbar sein. Der Versuch hätte geklappt, wenn der Lungenkeim, die Gene des milden Krankheitserregers anschaltet. Doch die ersten Experimente misslangen: Das Ziegenseuche-Bakterium baute die fremde so aufwendig zusammengesetzte DNA einfach ab. Erst als die Forscher die DNA mit Schutzkappen versahen, sogenannten Methylgruppen, wuchsen die Bakterien mit dem künstlichen Genom. Die Sensation war perfekt.

Unterschied zur Gentechnologie

Sven Panke hält diese Ergebnisse für «bahnbrechend», die Veröffentlichung für eine der wichtigsten der letzten 10 Jahre im Bereich der Biotechnologie. Craig Venter läutet einmal mehr eine neue Ära in der Biologie ein. Der Unterschied zur normalen Gentechnologie, bei der fremde Gene in Bakterien, Pilze, Pflanzen oder Tiere eingefügt oder deren Gene ausgeschaltet werden, ist immens. Die Grössenordnung sei ganz anders, erklärt Panke: «Jetzt wurde gezeigt, dass man im Prinzip 10, 20 oder Hunderte von Genen gleichzeitig verändern und in einen Organismus einfügen kann.» (Tages-Anzeiger)

Erstellt: 20.05.2010, 22:54 Uhr

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