Unsere Fähigkeit, die Gene lebender Organismen zu manipulieren, hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Jetzt sind Forscher dem Aufbau von Genomen von Grund auf einen Schritt näher gekommen, nachdem sie einen Hefestamm mit mehr als 50 Prozent synthetischer DNA enthüllt haben.
Seit 2006 versucht ein internationales Forscherkonsortium namens Synthetic Yeast Genome Project, das gesamte Genom der Bierhefe neu zu schreiben. Der Organismus ist ein attraktives Ziel, da er wie wir ein Eukaryote ist und auch in der Biotechnologieindustrie häufig zur Herstellung von Biokraftstoffen, Pharmazeutika und anderen hochwertigen Chemikalien eingesetzt wird.
Während Forscher bereits zuvor die Genome von Viren und Bakterien umgeschrieben haben, stellt Hefe eine größere Herausforderung dar, da ihre DNA auf 16 Chromosomen aufgeteilt ist. Um den Fortschritt zu beschleunigen, konzentrierten sich die beteiligten Forschungsgruppen jeweils darauf, ein anderes Chromosom neu zu schreiben, bevor sie versuchten, sie zu kombinieren.
Das Team hat nun erfolgreich neue Versionen aller 16 Chromosomen synthetisiert und ein völlig neues Chromosom geschaffen. In einer Reihe von Aufsätzen in Zelle und ZellgenomikDas Team berichtet außerdem über die erfolgreiche Kombination von sieben dieser synthetischen Chromosomen sowie einem Fragment eines anderen in einer einzigen Zelle. Insgesamt machen sie mehr als 50 Prozent der DNA der Zelle aus.
„Unsere Motivation besteht darin, die Grundprinzipien der Genomgrundlagen durch den Aufbau synthetischer Genome zu verstehen“, sagte Co-Autor Patrick Yizhi Cai von der University of Manchester in einem Pressemitteilung. „Das Team hat nun das Betriebssystem der aufkeimenden Hefe neu geschrieben, was eine neue Ära der Ingenieurbiologie einläutet – vom Herumbasteln einer Handvoll Gene hin zum De-novo-Design und der Konstruktion ganzer Genome.“
Die synthetischen Chromosomen unterscheiden sich deutlich von denen normaler Hefe. Die Forscher entfernten beträchtliche Mengen „Junk-DNA“, die repetitiv ist und nicht für bestimmte Proteine kodiert. Insbesondere schneiden sie DNA-Abschnitte, sogenannte Transposons, ab, die auf natürliche Weise auf unvorhersehbare Weise rekombinieren können, um die Stabilität des Genoms zu verbessern.
Außerdem trennten sie alle Gene, die für die Transfer-RNA kodieren, in ein völlig neues 17. Genom. Diese Moleküle transportieren Aminosäuren zu Ribosomen, den Proteinfabriken der Zelle. Cai sagte Wissenschaft tRNA-Moleküle sind „DNA-Schadens-Hotspots“. Durch die Aussonderung und Unterbringung in einem sogenannten „tRNA-Neochromosom“ hofft die Gruppe, sie leichter unter Kontrolle zu halten.
„Das tRNA-Neochromosom ist das weltweit erste vollständig de novo synthetische Chromosom“, sagt Cai. „So etwas gibt es in der Natur nicht.“
Eine weitere bedeutende Änderung könnte die Bemühungen, nützliche neue Hefestämme zu finden, beschleunigen. Das Team integrierte ein System namens SCRaMbLE in das Genom, das eine schnelle Neuordnung von Genen innerhalb von Chromosomen ermöglicht. Dieses „induzierbare Evolutionssystem“ ermöglicht es Zellen, schnell potenziell interessante neue Genome zu durchlaufen.
„Es ist so, als würde man ein Kartenspiel mischen“, Co-Autor Jef Boeke von der New York University Langone Health sagte New Scientist. „Das Scramble-System ist im Wesentlichen eine Weiterentwicklung der Hypergeschwindigkeit, aber wir können es ein- und ausschalten.“
Um mehrere der veränderten Chromosomen in dieselbe Hefezelle zu bringen, führte Boekes Team ein langwieriges Kreuzungsprogramm durch, bei dem Zellen mit unterschiedlichen Genomkombinationen gepaart wurden. Bei jedem Schritt gab es ein umfangreicher „Debugging“-Prozess, da synthetische Chromosomen auf unvorhersehbare Weise interagierten.
Mit diesem Ansatz baute das Team sechs vollständige Chromosomen und einen Teil eines weiteren in eine Zelle ein, die überlebte und wuchs. Anschließend entwickelten sie eine Methode namens Chromosomensubstitution, um das größte Hefechromosom aus einer Spenderzelle zu übertragen, wodurch sich die Gesamtzahl auf siebeneinhalb erhöhte und die Gesamtmenge an synthetischer DNA auf über 50 Prozent stieg.
Alle 17 synthetischen Chromosomen in eine einzige Zelle zu bringen, wird erhebliche zusätzliche Arbeit erfordern, aber das Erreichen der Hälfte ist eine bedeutende Leistung. Und wenn es dem Team gelingt, Hefe mit einem vollständig synthetischen Genom herzustellen, wird dies einen großen Schritt in unsere Fähigkeit bedeuten, den Code des Lebens zu manipulieren.
„Ich nenne dies gerne das Ende vom Anfang, nicht den Anfang vom Ende, denn dann werden wir wirklich in der Lage sein, das Deck neu zu mischen und Hefe zu produzieren, die Dinge tun kann, die wir noch nie zuvor gesehen haben. “ sagt Boeke in der Pressemitteilung.
Bildquelle: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer teilweise synthetischen Hefe / Cell/Zhao et al.
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- Quelle: https://singularityhub.com/2023/11/10/biologists-unveil-the-first-living-yeast-cells-with-over-50-synthetic-dna/
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