Am Computer kreiert

Forscher bauen künstliches Bakterien-Erbgut

Das Erbgut von „Caulobacter crescentus-2.0“ in einem Mikrogefäß

(Bild: ETH Zürich/Jonathan Venetz)

Wissenschaftlern an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich ist es gelungen, das Erbgut eines Bakteriums komplett am Computer zu erzeugen und zu synthetisieren. Anders als bei früheren Experimenten dieser Art handelt es sich nicht um eine künstlich erzeugte Kopie des Erbguts eines lebenden Bakteriums, sondern um eine optimierte Version, die man „Caulobacter crescentus-2.0“ taufte.

Noch existiert „Caulobacter crescentus-2.0“ nur als großes Erbgutmolekül, nicht als Organismus. Doch die Herstellung dieses komplett künstlichen Bakterienerbguts könnte die Biotechnologie umkrempeln, berichtet die ETH Zürich am Montag. Vorbild für „C. crescentus-2.0“ ist das natürlich vorkommende, ungefährliche Bakterium namens Caulobacter crescentus, das sich in Gewässern wie im Zürichsee findet. Sein Genom umfasst rund 4000 Gene, von denen aber nur rund 680 überlebenswichtig sind. Dieses sogenannte „Minimalgenom“ hat ein Team um die Brüder Matthias und Beat Christen von der ETH Zürich am Computer umgeschrieben, in Teilstücken synthetisiert und nach Funktionstests zusammengebaut, heißt es im Fachblatt PNAS.

Mikroskopische Aufnahme von Caulobacter crescentus

(Bild: ETH Zürich)

Mikroskopische Aufnahme eines Caulobacter-crescentus-Bakteriums

(Bild: Wikipedia/Yves Brun)

Algorithmus vereinfacht die Synthese
Vor elf Jahren präsentierte der US-Genetikpionier Craig Venter bereits ein chemisch synthetisiertes Bakteriengenom. Damals arbeiteten 20 Wissenschaftler zehn Jahre lang, schrieb die ETH. Die Kosten betrugen angeblich 40 Millionen Dollar (umgerechnet knapp 36 Millionen Euro). „C. crescentus-2.0“ hingegen kostete eine kleinere Gruppe Forschender nur rund ein Jahr Zeit und die Herstellungskosten beliefen sich auf 120.000 Franken (107.000 Euro). Dank eines Algorithmus, der half, die Synthese stark zu vereinfachen.

Die Schwierigkeit der Herstellung großer DNA-Stücke, wie sie für den Zusammenbau eines künstlichen Bakteriengenoms nötig sind, beschreibt Matthias Christen so: „DNA-Moleküle haben nicht nur die Fähigkeit, sich an andere DNA-Moleküle zu heften, sie können je nach Bausteinabfolge auch Schlaufen und Knäuel mit sich selbst bilden, was die Herstellung erschweren oder verunmöglichen kann.“

Erbgutsequenz umgeschrieben und vereinfacht
Deshalb nutzten die ETH-Forschenden einen eigens entwickelten Algorithmus, um die Erbgutsequenz des Minimalgenoms umzuschreiben und zu vereinfachen. Der genetische Code enthält nämlich einen gewissen Spielraum: Die DNA-Bausteinabfolge definiert die Abfolge der Proteinbausteine (der Aminosäuren, Anm.). Aber für viele Aminosäuren gibt es mehrere mögliche DNA-Bausteinabfolgen. Der Algorithmus suchte die für die Synthese optimale DNA-Sequenz, ohne dabei die Abfolge der dadurch definierten Aminosäuren zu verändern. Auf Protein-Ebene änderte das Umschreiben des Genoms somit nichts.

(Bild: stock.adobe.com)

Anders als beim Projekt von Craig Venter, bei dem die Forschenden das Bakterienerbgut eins zu eins nachbauten, entsprechen beim „C. crescentus-2.0“ mehr als ein Sechstel aller 800.000 DNA-Bausteine nicht mehr dem „natürlichen“ Vorbild.

Nur Informationen, die die Forscher verstanden haben
Die neue Methode sei auch ein Lackmustest um zu überprüfen, ob die Biologen die Genetik richtig verstanden hätten, um allfällige Wissenslücken zu entdecken, erklärte Systembiologie-Professor Beat Christen. Denn das umgeschriebene Erbgut enthält zwangsläufig nur Information, welche die Forscher auch verstanden haben. Allfällige zusätzliche in der DNA-Sequenz „versteckte“ und von der Wissenschaft noch nicht verstandene Information wäre durch die Neucodierung verloren gegangen, schrieb die ETH.