Forscher haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem sie lebensfähige Hefezellen erschaffen haben, die zur Hälfte künstlich hergestelltes Erbgut enthalten. Durch das Zusammenfügen von siebeneinhalb Chromosomen, die im Labor aus DNA-Bausteinen und Hüllstrukturen hergestellt wurden, ist es ihnen gelungen, eine halbsynthetische Hefe zu entwickeln. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für die Schaffung des ersten eukaryotischen Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom und eröffnet neue Möglichkeiten in der Biologie und Genetik.
Erfolgreiche Synthetisierung von Hefe 2.0 mit künstlichen Chromosomen
Das Synthetic Yeast Project (Sc2.0) hat 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 konstruiert, und 2017 wurde die erste lebensfähige Hefezelle mit synthetischen Chromosomen geschaffen. Das Projekt stellt einen bedeutenden Fortschritt in der synthetischen Biologie dar und hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Hefezellen verstehen und nutzen, grundlegend zu verändern.
Die Forschung hat einen wichtigen Durchbruch erzielt, indem sie halbsynthetische Hefezellen geschaffen hat. Diese Zellen enthalten sieben ganze und ein halbes künstliches Chromosom, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte des Erbguts der Hefezellen aus künstlich hergestellter DNA besteht. Obwohl das Wachstum dieser Designer-Hefezellen langsamer ist als das der natürlichen Hefe, konnten sie sich erfolgreich vermehren. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für die Schaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem komplett synthetischen Genom.
Bei der Erschaffung der halbsynthetischen Hefe handelte es sich um einen komplexen Prozess, der von verschiedenen Teams in Laboren weltweit durchgeführt wurde. Jedes Team konstruierte ein Chromosom und entfernte dabei nichtproteinkodierende DNA und wiederholte Elemente. Zudem wurde ein Wasserzeichen entwickelt, um synthetische von natürlichen Hefezellen zu unterscheiden. Das Ergebnis waren 16 verschiedene Hefestämme, von denen jeder 15 natürliche Chromosomen und ein synthetisches Chromosom enthielt.
Um die verschiedenen synthetischen Chromosomen in einer Hefezelle zu vereinen, ohne deren Lebensfähigkeit zu beeinträchtigen, wurde eine innovative Methode der Chromosomen-Substitution entwickelt. Diese Methode umgeht die bisher üblichen Kreuzungsversuche und ermöglicht es, die synthetischen Chromosomen gezielt in die Hefezelle einzuführen. Dadurch können die Forscher die Hefezelle genetisch manipulieren, um neue Eigenschaften oder Funktionen zu erzeugen.
Während der Versuche, die siebeneinhalb künstlichen Chromosomen in einer Hefezelle zu vereinen, traten unerwartete Probleme auf. Es stellte sich heraus, dass es zu Dopplungen und Störeffekten zwischen einigen Chromosomenteilen kam, und es fehlten auch bestimmte DNA-Abschnitte. Um diese genetischen Defekte zu beheben, wandten die Forscher eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 an. Durch dieses „Debugging“ konnten sie wertvolle Erkenntnisse über die grundlegenden Regeln des Lebens gewinnen.
Die Wissenschaftler haben erfolgreich einen Hefestamm entwickelt, dessen Erbgut zu über 50 % aus im Labor hergestellten Chromosomen besteht. Diese Chromosomen wurden bewusst stark verändert und auf das Wesentliche reduziert, um von der natürlichen Design abzuweichen. Zusätzlich wurde ein komplett neues Chromosom geschaffen, 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 verantwortlich sind.
Die bevorstehende Erschaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem synthetischen Genom markiert einen Meilenstein in der Zellbiologie und Genetik. Dieser Durchbruch wird unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Lebens revolutionieren. Die Forschung an synthetischen Chromosomen hat bereits zu bedeutenden Erkenntnissen über die Struktur und das Zusammenspiel von DNA-Abschnitten und Genen geführt. Die Möglichkeit, Erbgut direkt aus Bausteinen zusammenzusetzen, eröffnet zudem neue Ansätze in der Genmanipulation, von der Entwicklung umweltfreundlicherer Mikrobenstämme bis hin zur Bekämpfung von Krankheiten.
Die Entwicklung und Anwendung synthetischer Chromosomen stellt eine bedeutende technische Errungenschaft dar. Durch die gezielte Konstruktion und Manipulation des Erbguts eröffnen sich vielfältige neue Möglichkeiten in der biologischen Forschung und Anwendung. Von der Herstellung neuer Mikrobenstämme für eine nachhaltigere Bioproduktion bis hin zur Erforschung von Krankheiten und der Entwicklung neuer Therapien bietet die synthetische Genomtechnologie enormes Potenzial. Die synthetischen Chromosomen ermöglichen es, das Zusammenspiel verschiedener DNA-Abschnitte und Gene besser zu verstehen und gezielt zu beeinflussen.
