Durch das Schaffen von lebensfähigen Hefezellen mit einem hohen Anteil an künstlich hergestelltem Erbgut wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht. Die halbsynthetischen Zellen enthalten siebeneinhalb Chromosomen, die im Labor aus DNA-Bausteinen und Hüllstrukturen konstruiert wurden. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für die Entwicklung eines eukaryotischen Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Struktur des Erbguts und eröffnen neue Möglichkeiten für die Bioproduktion und die Bekämpfung von Krankheiten.
Hefezellen mit synthetischen Chromosomen erfolgreich erzeugt
Das Synthetic Yeast Project (Sc2.0) verfolgt das Ziel, 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 erfolgreich hergestellt, gefolgt von der Erschaffung der ersten lebensfähigen Hefezelle mit synthetischen Chromosomen im Jahr 2017. Dieser Meilenstein in der synthetischen Biologie ermöglicht eine genauere Untersuchung der Hefezellen und eröffnet neue Wege für die Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Medizin und Biotechnologie.
Forscher haben einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem sie halbsynthetische Hefezellen erzeugt haben. Diese Zellen enthalten sieben ganze und ein halbes künstliches Chromosom, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte ihres Erbguts im Labor hergestellt wurde. Interessanterweise enthält diese Designer-Hefe das größte und genreichste Chromosom der Hefe. Obwohl ihr Wachstum langsamer ist als das der natürlichen Hefe, konnte sich die Designer-Hefe erfolgreich vermehren. Dieser Fortschritt ist entscheidend für die Entwicklung eines Organismus mit einem komplett synthetischen Genom.
Die Entstehung der halbsynthetischen Hefe war ein komplexer Prozess, der von verschiedenen wissenschaftlichen Teams weltweit durchgeführt wurde. Jedes Team war für den Bau eines Chromosoms verantwortlich und entfernte nichtproteinkodierende DNA und wiederholte Elemente. Ein spezielles Wasserzeichen wurde entwickelt, um synthetische von natürlichen Hefezellen zu unterscheiden. Das Ergebnis waren insgesamt 16 verschiedene Hefestämme, die jeweils 15 natürliche Chromosomen und ein synthetisches Chromosom enthielten.
Die Zusammenführung der verschiedenen synthetischen Chromosomen in einer Hefezelle, ohne deren Lebensfähigkeit zu beeinträchtigen, stellt eine herausfordernde Aufgabe dar. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine neuartige Methode der Chromosomen-Substitution entwickelt, die herkömmliche Kreuzungsversuche umgeht. Mit dieser Methode können die Forscher gezielt die synthetischen Chromosomen in die Hefezelle einführen, um das genetische Material der Zelle zu verändern. Dies ermöglicht es ihnen, neue Eigenschaften oder Funktionen in der Hefezelle zu erzeugen.
Während der Tests zur Vereinigung der siebeneinhalb künstlichen Chromosomen in einer Hefezelle traten unerwartete Probleme auf. Es kam zu Duplikationen und gegenseitigen Störungen zwischen einigen Teilen der Chromosomen, während andere DNA-Abschnitte fehlten. Um diese genetischen Defekte zu beheben, setzten die Forscher eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 ein. Durch dieses „Debugging“ konnten sie wertvolle Erkenntnisse über die grundlegenden Prinzipien des Lebens gewinnen und die Hefezellen weiterentwickeln.
Das Ergebnis der Forschung ist ein Hefestamm, dessen Erbgut zu mehr als 50 % aus im Labor hergestellten Chromosomen besteht. Die Forscher haben diese Chromosomen bewusst stark verändert und reduziert, um sich von der natürlichen Struktur zu unterscheiden. Zusätzlich wurde ein völlig neues Chromosom kreiert, das in der Natur nicht existiert. Es enthält alle 275 Gene, die normalerweise über verschiedene Chromosomen verteilt sind und für die Produktion von Transfer-DNA zuständig sind.
Die bevorstehende Schaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem synthetischen Genom stellt einen revolutionären Durchbruch in den Bereichen Zellbiologie und Genetik dar. Dieser Meilenstein wird unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Lebens grundlegend verändern. Die Forschung an synthetischen Chromosomen hat bereits zu zahlreichen neuen Erkenntnissen über die Struktur und das Zusammenspiel verschiedener DNA-Abschnitte und Gene geführt. Die Möglichkeit, Erbgut direkt aus Bausteinen zusammenzusetzen, eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Genmanipulation, von der Entwicklung umweltfreundlicherer Mikrobenstämme bis hin zur Bekämpfung von Krankheiten.
Synthetische Chromosomen stellen eine bahnbrechende technologische Errungenschaft dar, die es ermöglicht, das Erbgut von Organismen gezielt zu manipulieren und zu verändern. Dadurch eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten in der biologischen Forschung und Anwendung. Die synthetischen Chromosomen bieten eine präzise Kontrolle über die genetische Ausstattung von Organismen und ermöglichen es, gezielte Veränderungen vorzunehmen, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern oder neue Funktionen zu ermöglichen. Diese Technologie hat das Potenzial, zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Medizin, Landwirtschaft und Umweltschutz zu revolutionieren.
