Forscher des Medical Research Council Labors für Molekularbiologie in England haben erfolgreich E. coli- Bakterien mit vollständig von Menschen hergestellter DNA hergestellt. Dies markiert einen Meilenstein auf dem aufkeimenden Gebiet der synthetischen Biologie und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen, die auf sogenannten "Designer" -Bakterien aufbauen .
Laut einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ist das synthetische Genom bei weitem das größte seiner Art. Die neu gestaltete DNA ist das Produkt einer zweijährigen Forschungskampagne und besteht aus vier Millionen Segmenten - viermal mehr als der bisherige Rekordhalter. Am eindrucksvollsten ist, dass die Bakterien nur 61 Codons enthalten, im Gegensatz zu den 64, die in fast allen Lebewesen vorkommen. Trotz dieser scheinbaren Ungleichheit scheinen die synthetischen Bakterien ähnlich wie normale E. coli zu funktionieren . Die Hauptunterschiede sind, wie Carl Zimmer von der New York Times berichtet, eine langsamere Wachstumsrate und eine längere Dauer.
"Es war völlig unklar, ob es möglich war, ein Genom so groß zu machen und ob es möglich war, es so stark zu verändern", sagt Studienkoautor Jason Chin, Biologe an der Universität von Cambridge, der Ian Sample des Guardian .
Doch wie Tom Ellis, Direktor des Zentrums für Synthetische Biologie am Imperial College London und Gutachter der Studie, Gizmodos Ryan Mandelbaum erklärt, gipfelten die Bemühungen des Teams schließlich in einer „Tour de Force“ für das Gebiet: „Sie haben synthetisiert, gebaut und gezeigt, dass ein synthetisches Genom mit 4 Millionen Basenpaaren funktionieren könnte “, sagt Ellis. "Es ist mehr als jeder andere zuvor."
Um ein Genom zu „rekodieren“, müssen die Wissenschaftler die 64 Kodons oder Dreibuchstabenkombinationen der DNA-Moleküle A, T, C und G - kurz für Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin - manipulieren, die alle lebenden Organismen antreiben. Da jede der drei Positionen in einem Codon eines der vier Moleküle enthalten kann, gibt es insgesamt 64 mögliche Kombinationen (4 x 4 x 4). Diese Kombinationen entsprechen wiederum bestimmten Aminosäuren oder organischen Verbindungen, die die lebensnotwendigen Proteine bilden. TCA stimmt zum Beispiel mit der Aminosäure Serin überein, während AAG Lysin spezifiziert. TAA fungiert als eine Art Stoppschild, das dem Organismus signalisiert, keine Aminosäuren mehr zu einem sich entwickelnden Protein hinzuzufügen, erklärt Sharon Begley von STAT.
Es gibt einen weiteren Haken an diesem bereits komplexen Prozess: Da nur 20 Aminosäuren mit dem genetischen Code verknüpft sind, können mehrere Codons mit einer Säure korrespondieren. Serin ist zum Beispiel nicht nur mit TCA verbunden, sondern auch mit AGT, AGC, TCT, TCC und TCG. Wie John Timmer schreibt für Ars Technica, die Nichtübereinstimmung der Anzahl der Codons mit den Aminosäuren macht 43 Codons weitgehend irrelevant. Obwohl Zellen diese zusätzlichen Sätze als Stoppcodes, regulatorische Instrumente und effizientere Wege zur Codierung eines bestimmten Proteins verwenden, ist die Tatsache weiterhin so, dass viele davon überflüssig sind.
Um festzustellen, wie redundant diese zusätzlichen Codons waren, mussten umfangreiche Versuche unternommen werden. Chin sagt zu Begley: "Es gibt viele Möglichkeiten, ein Genom zu rekodieren, aber viele davon sind problematisch: Die Zelle stirbt."
Um das erfolgreiche synthetische Genom zu schaffen, ersetzten Chin und seine Kollegen jede Instanz der Serincodons TCG und TCA durch AGC bzw. AGT. Das Team ersetzte auch jedes TAG-Codon, das einen Stopp signalisierte, durch TAA. Letztendlich verwendete die rekodierte DNA laut Zimmer der New York Times vier Serincodons anstelle von vier und zwei Stoppcodons anstelle von drei. Zum Glück mussten die Wissenschaftler diese Arbeit nicht von Hand erledigen. Stattdessen nahmen sie die 18.214 Ersetzungen vor, indem sie den E. coli- Code wie eine riesige Textdatei behandelten und eine Such- und Ersetzungsfunktion ausführten.
Die Übertragung dieser synthetischen DNA in die Bakterien erwies sich als schwierigere Aufgabe. Aufgrund der Länge und Komplexität des Genoms war das Team nicht in der Lage, es in einem Versuch in eine Zelle einzuführen. Stattdessen gingen die Wissenschaftler schrittweise an den Job heran, indem sie das Genom mühsam in Stücke brachen und Stück für Stück in lebende Bakterien transplantierten.
Die Forscher haben zwei Erfolge erzielt, sagt Chin in einem Interview mit Antonio Regalado von MIT Technology Review . Das überarbeitete Genom ist nicht nur eine „technische Errungenschaft“, sondern sagt auch „etwas Grundlegendes über die Biologie und wie formbar der genetische Code wirklich ist“.
Laut der Guardian -Stichprobe könnten die Forschungen dazu beitragen, dass Wissenschaftler virusresistente Bakterien entwickeln, die für den Einsatz in der biopharmazeutischen Industrie geeignet sind. E. coli wird bereits zur Herstellung von Insulin und medizinischen Verbindungen zur Behandlung von Krebs, Multipler Sklerose, Herzinfarkt und Augenerkrankungen verwendet. Dank der Anfälligkeit von nicht synthetischer DNA für bestimmte Viren kann die Produktion jedoch leicht gestoppt werden.
Eine weitere wichtige Implikation der Studie sind Aminosäuren. Wie Roland Pease von BBC News schreibt, bleiben bei der Verwendung von 61 von 64 möglichen Codons durch das E. coli- Genom drei Codons für die Neuprogrammierung offen, wodurch die Tür für „unnatürliche Bausteine“ geöffnet wird, die bisher unmögliche Funktionen ausführen können.
Finn Stirling, ein synthetischer Biologe an der Harvard Medical School, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war, kommt zu dem Schluss: "Theoretisch kann man alles neu kodieren."
