Durch das Erschaffen von lebensfähigen Hefezellen mit einem hohen Anteil an künstlich hergestelltem Erbgut haben Forscher einen wichtigen Meilenstein erreicht. Diese halbsynthetischen Zellen enthalten siebeneinhalb Chromosomen, die im Labor komplett neu aus DNA-Bausteinen und Hüllstrukturen zusammengefügt wurden. Dieser bedeutende Fortschritt ebnet den Weg für die Entwicklung eines eukaryotischen Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom und ermöglicht neue Erkenntnisse über die Struktur des Erbguts sowie neue Möglichkeiten der Genmanipulation und Bioproduktion.
Hefe 2.0: Erzeugung lebensfähiger Zellen mit synthetischem Erbgut
Das Synthetic Yeast Project (Sc2.0) ist ein wegweisendes Forschungsprojekt, das darauf abzielt, die 16 Chromosomen einer Hefezelle zu synthetisieren und eine lebensfähige Hefe 2.0 zu entwickeln. Im Jahr 2014 wurde das erste künstliche Chromosom der Hefe geschaffen, und 2017 folgte die erfolgreiche Erzeugung der ersten lebensfähigen Hefezelle mit synthetischen Chromosomen. Dieser bedeutende Fortschritt in der synthetischen Biologie eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung und Anwendung von Hefezellen und könnte zu wichtigen Erkenntnissen in der Medizin und Biotechnologie führen.
Das Synthetic Yeast Project hat einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Schaffung von maßgeschneiderten Lebensformen gemacht, indem es halbsynthetische Hefezellen erzeugt hat. Diese Zellen enthalten sieben ganze und ein halbes künstliches Chromosom, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte ihres Erbguts künstlich hergestellt wurde. Interessanterweise enthält das größte und genreichste Chromosom der Hefe synthetische DNA. Obwohl das Wachstum der Designer-Hefe langsamer ist als das der natürlichen Hefe, war sie dennoch lebensfähig und konnte sich vermehren. Dieser Fortschritt ist entscheidend für die Entwicklung von Organismen mit komplett synthetischem Erbgut.
Die Erschaffung der halbsynthetischen Hefe war ein hochkomplexer Prozess, der von internationalen Forscherteams durchgeführt wurde. Jedes Team war für den Bau eines Chromosoms verantwortlich und entfernte nichtproteinkodierende DNA sowie wiederholte Elemente. Zudem wurde ein einzigartiges Wasserzeichen entwickelt, um synthetische von natürlichen Hefezellen zu unterscheiden. Das Ergebnis waren insgesamt 16 verschiedene Hefestämme, die aus jeweils 15 natürlichen Chromosomen und einem synthetischen Chromosom bestanden.
Die Kombination der verschiedenen synthetischen Chromosomen in einer Hefezelle, ohne deren Lebensfähigkeit zu beeinträchtigen, stellt eine komplexe Herausforderung dar. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine neue Methode der Chromosomen-Substitution entwickelt, die herkömmliche Kreuzungsversuche umgeht. Durch den gezielten Einsatz dieser Methode können die synthetischen Chromosomen in die Hefezelle eingeführt werden, um das genetische Material der Zelle zu modifizieren. Auf diese Weise können die Forscher neue genetische Eigenschaften oder Funktionen in der Hefezelle erzeugen.
Während der Experimente zur Vereinigung der siebeneinhalb künstlichen Chromosomen in einer Hefezelle wurden unerwartete Probleme festgestellt. Es kam zu Dopplungen und gegenseitigen Störeffekten zwischen einigen Chromosomenteilen, und es fehlten auch bestimmte DNA-Abschnitte. Um diese genetischen Defekte zu beheben, wandten die Forscher eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 an. Dieses „Debugging“ ermöglichte ihnen wertvolle Einblicke in die grundlegenden Prinzipien des Lebens und ebnete den Weg für weitere Entwicklungen in diesem Bereich.
Die Wissenschaftler haben einen Hefestamm entwickelt, dessen Erbgut zu mehr als 50 % aus künstlich hergestellten Chromosomen besteht. Diese Chromosomen wurden bewusst stark verändert und stark vereinfacht, um sich von der natürlichen DNA zu unterscheiden. Zusätzlich wurde ein völlig neues Chromosom geschaffen, das in der Natur nicht vorkommt. Es enthält alle 275 Gene, die normalerweise über verschiedene Chromosomen verteilt sind und für die Produktion von Transfer-DNA verantwortlich sind.
Die bevorstehende Schaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem synthetischen Genom markiert einen bahnbrechenden Fortschritt in den Bereichen Zellbiologie und Genetik. Dieser Durchbruch wird unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Lebens fundamental verändern. Die Forschung an synthetischen Chromosomen hat bereits zahlreiche neue Erkenntnisse über die Struktur und das Zusammenwirken verschiedener DNA-Abschnitte und Gene geliefert. Die Fähigkeit, Erbgut direkt aus seinen Bausteinen zusammenzusetzen, eröffnet zudem neue Möglichkeiten der Genmanipulation, von der Herstellung umweltfreundlicherer Mikrobenstämme bis hin zur Entwicklung neuer Therapien gegen Krankheiten.
Die Entwicklung und Anwendung von synthetischen Chromosomen revolutioniert die Biologie und eröffnet neue Wege in der biotechnologischen Forschung und Anwendung. Durch die gezielte Konstruktion und Manipulation des Erbguts können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezielt in die genetische Ausstattung von Organismen eingreifen und so neue Funktionen erschaffen oder vorhandene verbessern. Dies ermöglicht die Entwicklung neuartiger Therapien, die Herstellung nachhaltigerer Bioprodukte und die Erforschung von Krankheiten auf einer bisher nicht gekannten Ebene. Die synthetischen Chromosomen stellen somit eine wichtige technische Errungenschaft dar.
