Künstliches Leben: Wissenschaftler erweckten synthetisches Bakterium

Synthetische Biologie: Bakterium mit nur 473 Genen erschaffen
Vor rund sechs Jahren stellten US-amerikanische Forscher ein Bakterium mit komplett künstlich synthetisiertem Erbgut vor. Die Rede war gar von „künstlichem Leben“. Den Wissenschaftlern ist nun ein weiterer Schritt gelungen: Sie stellten ein Bakterium her, das nur absolut lebensnotwendige Gene enthält.

Wie viele Gene ein Lebewesen wirklich braucht
Insgesamt 473 Gene braucht ein Lebewesen mindestens. Zumindest gilt dies für Bakterien, wie US-amerikanische Forscher um Craig Venter herausgefunden haben. Die Wissenschaftler des „J. Craig Venter Institute“ und Kollegen der „University of California–San Diego“, von „Synthetic Genomics“ sowie des „National Institute of Standards and Technology“ berichten im Fachmagazin „Science“, dass diese Gene unter optimalen Umgebungsbedingungen alle lebenswichtigen Prozesse steuern und die Bakterien wachsen lassen. Wie aus einem Bericht des Fachjournals „Nature“ hervorgeht, hatten die Forscher Bakterien mit einem künstlich erzeugten Minimal-Erbgut entworfen und im Labor wachsen lassen. Das Genom des Bakteriums mit dem Namen „JCVI-syn3.0“ sei laut einer Meldung der Nachrichtenagentur dpa kleiner als das jeder natürlichen, sich autonom replizierenden Zelle. Demnach lasse sich an ihm besser untersuchen, welche Gene und welche Funktionen für das Leben wesentlich sind.

Ergebnisse sind laut deutschem Experten „nicht so relevant“
Nach gängigen Schätzungen hat ein Mensch mehr als 20.000 Gene, viele Tiere und Pflanzen besitzen sogar noch weit mehr. Der Biotechnologe Prof. Dr. Alfred Pühler von der Universität Bielefeld erläuterte laut dpa, die Studie sei eine gute wissenschaftliche Arbeit, aber nicht der große Wurf, mit dem viele Experten gerechnet hätten. „Biotechnologisch ist das Ergebnis nicht so relevant“, meinte der deutsche Wissenschaftler. Zwar sei die Studie sorgfältig hergeleitet und das Ergebnis großer Fleißarbeit. „Sie liefert aber nicht das einfache Chassis für die Produktion von Substanzen, wie man sich das erhofft hat“, so Pühler.

Suche nach bakteriellem Minimal-Genom
Bereits 2010 hatte ein Team um Craig Venter ein Bakterium mit künstlichem Erbgut geschaffen. Wie es heißt, waren dazu die Gene des Bakteriums Mycoplasma mycoides mit Hilfe einzelner Erbgutstückchen nachgebaut und dieses Kunstgenom dann in eine andere Bakterienart (Mycoplasma capricolum) eingesetzt worden. Den Angaben zufolge verdrängte das synthetische Erbgut das Original-Erbgut und übernahm die Steuerung der Wirtsbakterien. In ihrer nun vorgestellten Untersuchung verkleinerten die Forscher das Genom dieses „JCVI-syn1.0“ genannten Bakteriums. Ziel der Studie war es, ein bakterielles Minimal-Genom zu finden, das für die Aufrechterhaltung des Lebens ausreichend ist.

Bakterium in ersten Versuchen nicht lebensfähig
Ausgehend von grundlegendem molekularbiologischem Wissen und von vorhandenen Daten zu Genfunktionen entwarfen die Wissenschaftler dieses Genom in ersten Versuchen am Computer. Dabei scheiterten sie jedoch und das resultierende Bakterium erwies sich als nicht lebensfähig. Sie starteten nochmal neu mit dem von der Natur abgekupferten Genom. „Die Ergebnisse überzeugten uns, das wir nicht genug Kenntnisse haben, um ein funktionierendes Minimal-Genom basierend auf Grundprinzipien zu designen“, erläuterten die Forscher. Daher gingen sie in den anschließenden Experimenten experimenteller zu Werke: Sie legten nach und nach einzelne Gene still, um herauszufinden, ob sie für das Funktionieren der bakteriellen Zelle nötig sind.

Unbekannte für das Leben essenzielle Funktionen
Auf diese Weise identifizierten sie drei Gruppen: Gene, die unabdingbar sind, Gene, die verzichtbar sind und Gene, die das Gedeihen der Zellen erheblich verbessern. Schließlich blieben 473 Gene übrig, die JCVI-syn3.0 unter Laborbedingungen am Leben erhielten. Die Bakterien wurden in der Kultur mit notwendigen Nährstoffen versorgt. Wie es in der Studie heißt, seien unter weniger optimalen Bedingungen vermutlich mehr Gene für das Überleben notwendig. Insgesamt 149 Genen konnten die Forscher keine biologische Funktion zuschreiben. Dies lasse den Experten zufolge vermuten, dass es bisher unbekannte Funktionen gebe, die für das Leben essenziell sind. Zwar sei die Schaffung eines Minimal-Genoms ihr Ziel gewesen, doch ihr Ansatz könne auch genutzt werden, um Zellen mit gewünschten Eigenschaften zu konstruieren. So könnten Zellen mit zusätzlichen Stoffwechselwegen oder einem veränderten genetischen Code gebaut werden und auf diese Weise Arzneimittel oder Industriechemikalien produzieren.

Große Leistung des Forscherteams
„Man muss sich allerdings fragen: Ist das wirklich das ideale Bakterium für die Synthese biotechnologisch relevanter Substanzen?“, so Pühler, der nicht an der Studie beteiligt war. Unter anderem werde der Nutzen für die biotechnologische Produktion dadurch vermindert, dass die hergestellten Mycoplasmen sich viel zu langsam vermehrten. Außerdem lasse sich das Ergebnis nicht auf andere Mikroben übertragen. „Bei anderen Bakterien werde ich bei anderen Basis-Gensets landen.“ Pühler zufolge hätten die Mycoplasmen für das Team den großen Vorteil geboten, von Natur aus über vergleichsweise wenig Gene zu verfügen. „Sie leben als Nutznießer in anderen Zellen und müssen viele wichtige Substanzen nicht selbst herstellen“, sagte er laut dpa. Trotzdem sei die Leistung der Forscher groß: „Das Genom wurde ja fast halbiert.“ Außerdem würden sich mit den 149 nicht zuordenbaren Genen interessante Forschungsansätze bieten. (ad)