Erstes komplett am Computer erzeugtes Bakterien-Genom

Alle weltweit bekannten Genomsequenzen von Organismen sind in einer Datenbank des amerikanischen Zentrums f¨¹r Biotechnologie-Information gespeichert. Seit heute gibt es dort einen zus?tzlichen Eintrag, jenen zu Caulobacter ethensis-2.0. Es ist das weltweit erste komplett am Computer erzeugte Genom eines Lebewesens, erstellt von Wissenschaftlern der ETH Z¨¹rich. Betonen muss man allerdings: Von C. ethensis-2.0 existiert bisher nur das Genom ¨C reell, in Form eines Chromosoms, also eines sehr grossen DNA-Molek¨¹ls. Einen dazugeh?rigen Organismus gibt es noch nicht.

C. ethensis-2.0 fusst auf dem Genom eines gut untersuchten und harmlosen S¨¹sswasserbakteriums: Das Bakterium Caulobacter crescentus kommt weltweit nat¨¹rlicherweise in Gew?ssern vor, unter anderem im Z¨¹richsee. Krankheiten verursacht es keine. Auch ist C. crescentus ein in Forschungslabors h?ufig verwendeter Modellorganismus, mit dem Wissenschaftler das Leben von Bakterien erforschen. Das Genom dieses Bakteriums umfasst 4000 Gene. Wissenschaftler haben vor Jahren gezeigt, dass davon nur rund 680 essenzielle Gene zwingend ben?tigt werden. Bakterien mit diesem Minimalgenom sind im Labor ¨¹berlebensf?hig.

Herstellungsprozess rationalisiert

Beat Christen, Professor f¨¹r experimentelle Systembiologie an der ETH Z¨¹rich, und sein Bruder Matthias Christen, Chemiker an der ETH Z¨¹rich, nahmen dieses Minimalgenom von C. crescentus als Ausgangspunkt. Sie setzten sich zum Ziel, dieses als zusammenh?ngendes Chromosom von Grund auf chemisch zu synthetisieren. Eine solche Aufgabe war bisher mit einem immensen Aufwand verbunden: F¨¹r das vom amerikanischen Genetikpionier Craig Venter vor elf Jahren pr?sentierten chemisch synthetisierten bakteriellen Genom arbeiteten laut Medienberichten 20 Wissenschaftler w?hrend zehn Jahren. Die Projektkosten sollen 40 Millionen Dollar betragen haben.

W?hrend Venter sein bakterielles Genom 1:1 kopierte, ver?nderten die ETH-Forscher ihr Genom bewusst mithilfe eines Computeralgorithmus wesentlich, einerseits um es sehr viel einfacher herstellen zu k?nnen, andererseits um damit grundlegenden Fragen der Biologie nachgehen zu k?nnen.

Um ein so grosses DNA-Molek¨¹l wie ein Bakteriengenom herzustellen, m¨¹ssen Wissenschaftler schrittweise vorgehen. Im Fall des Caulobacter-Genoms synthetisierten die ETH-Wissenschaftler 236 Genom-Teilst¨¹cke, welche sie anschliessend zusammensetzen. ?Nicht immer ist die Synthese dieser Teilst¨¹cke einfach?, erkl?rt Matthias Christen. ?Denn DNA-Molek¨¹le haben nicht nur die F?higkeit, sich an andere DNA-Molek¨¹le zu heften, sie k?nnen je nach Bausteinabfolge auch Schlaufen und Kn?uel mit sich selbst bilden, was die Herstellung erschweren oder verunm?glichen kann.?

Vereinfachte DNA-Sequenz

Um die Genom-Teilst¨¹cke m?glichst einfach synthetisieren und um die Teilst¨¹cke anschliessend m?glichst rationell zusammenf¨¹gen zu k?nnen, haben die Wissenschaftler die Genomsequenz vereinfacht, ohne dabei die eigentliche genetische Information (auf der Ebene der Proteine) zu ver?ndern. Spielraum f¨¹r Genom-Vereinfachungen ist vorhanden, weil die Biologie beim Speichern genetischer Information Redundanzen kennt. Beispielsweise gibt es f¨¹r viele Proteinbausteine (Aminos?uren) zwei, vier oder noch mehr genetische M?glichkeiten, um die Proteinbaustein-Information zu definieren.

Der von den ETH-Wissenschaftlern entwickelte Algorithmus n¨¹tzt diesen Spielraum optimal aus. Mit ihm berechneten die Forscher die f¨¹r Synthese und Zusammenbau ideale DNA-Sequenz, welche sie f¨¹r ihre Arbeit schliesslich auch benutzten.

Dies f¨¹hrte dazu, dass die Wissenschaftler in der DNA-Baustein-Abfolge des Minimalgenoms sehr viele winzige ?nderungen vornahmen, die in ihrer Gesamtheit jedoch betr?chtlich sind: Mehr als ein Sechstel aller 800'000 DNA-Bausteine sind im k¨¹nstlichen Genom gegen¨¹ber dem ?nat¨¹rlichen? Minimalgenom ver?ndert. ?In unserem Genom ist die Abfolge der DNA-Bausteine neu und gegen¨¹ber der urspr¨¹nglichen Abfolge nicht mehr wiederzuerkennen, die biologische Funktion auf Ebene der Proteine bleibt jedoch dieselbe?, sagt Beat Christen.

Lackmustest f¨¹r die Genetik

Das umgeschriebene Genom ist auch biologisch interessant. ?Unsere Methode ist ein Lackmustest um zu ¨¹berpr¨¹fen, ob wir Biologen die Genetik richtig verstanden haben, und sie erlaubt uns, allf?llige Wissensl¨¹cken zu entdecken?, erkl?rt Beat Christen. Denn in dem umgeschriebenen Genom ist zwangsl?ufig nur Information enthalten, welche die Forscher auch verstanden haben. Allf?llige zus?tzliche in der DNA-Sequenz ?versteckte? und von der Wissenschaft noch nicht verstandene Information w?re durch die Neucodierung verloren gegangen.

Zu Testzwecken stellten die Wissenschaftler Bakterienst?mme her, welche sowohl das nat¨¹rliche Caulobacter-Genom als auch Teilbereiche des neuen k¨¹nstlichen Genoms enthalten. Indem die Forscher in diesen Bakterien einzelne nat¨¹rliche Gene funktionsunf?hig machten, konnten sie die Funktion der k¨¹nstlichen Gene ¨¹berpr¨¹fen. Sie testeten in mehreren Schritten jedes der k¨¹nstlichen Gene.

In diesen Experimenten fanden die Forscher, dass nur rund 580 der 680 k¨¹nstlichen Gene funktionsf?hig sind. ?Mit dem gewonnenen Wissen wird es uns jedoch m?glich sein, unseren Algorithmus zu verbessern und eine voll funktionsf?hige Genom-Version 3.0 zu entwickeln?, sagt Beat Christen.

Grosses Potenzial in der Biotechnologie

?Auch wenn die derzeitige Genom-Version noch nicht perfekt ist, so zeigt unsere Arbeit dennoch, dass biologische Systeme so einfach aufgebaut sind, dass wir sie in Zukunft am Computer nach unseren Zwecken definieren und anschliessend bauen k?nnen?, sagt Matthias Christen. Und dies auf vergleichbar einfache Weise, wie Beat Christen betont: ?Was mit Craig Venters Technologie zehn Jahre dauerte, erreichte unsere kleine Gruppe mit unserer neuen Technologie innerhalb eines Jahres mit Herstellungskosten von 120'000 Schweizer Franken.?

?Wir glauben, dass es bald auch m?glich sein wird, aus einem solchen Genom funktionsf?hige bakterielle Zellen herzustellen?, sagt Beat Christen. Das hat ein grosses Potenzial. Zu m?glichen k¨¹nftigen Anwendungen geh?ren synthetische Mikroorganismen, die in der Biotechnologie zum Einsatz kommen k?nnten, etwa zur Herstellung von komplexen pharmazeutisch wirksamen Molek¨¹len oder Vitaminen. Die Technologie ist universell auf alle Mikroorganismen anwendbar, nicht nur Caulobacter. Auch die Herstellung von Impfstoffen auf DNA-Basis ist denkbar.

?So vielversprechend die Forschungsresultate und m?glichen Anwendungen auch sind, verlangen sie eine tiefgreifende gesellschaftliche Diskussion dar¨¹ber, zu welchen Zwecken diese Technologie angewandt werden darf, und damit verbunden, wie Missbr?uche verhindert werden k?nnen?, sagt Beat Christen. Noch ist unklar, wann es das erste Bakterium mit k¨¹nstlichem Genom geben wird ¨C klar ist jetzt aber, dass es entwickelt werden kann und wird. ?Diese Zeit m¨¹ssen wir nun f¨¹r intensive Diskussionen unter Wissenschaftlern, aber auch mit der ganzen Gesellschaft nutzen. Wir sind bereit, uns hier mit unserem ganzen Wissen intensiv einzubringen.?