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Biologen erschaffen erstmals Chromosom im Labor

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Baku, den 28. März (AZERTAG). Premiere im Labor: Erstmals haben Forscher ein Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern nachgebaut. Zukünftig wollen sie ganze Pflanzen- oder Tiergenome im Labor erschaffen. Ihrem Ziel kommen sie immer näher.

Bier, backen oder gar nichts - das sind die Dinge, die wohl die meisten Menschen mit Hefe verbinden. Forscher haben ganz andere Assoziationen: Im Labor haben sie erstmals ein funktionsfähiges Chromosom von einem Eukaryonten hergestellt - einem Lebewesen mit Zellkern. Versuchsorganismus: Saccharomyces cerevisia, die Bäckerhefe.

Zunächst am Computer entwarf das internationale Forscherteam den Bauplan für das künstliche Chromosom und schleuste es anschließend in lebende Zellen ein. Chromosomen enthalten Gene, auf denen Informationen für die Funktion von Zellen gespeichert sind. Zusammengesetzt sind die DNA-Stränge der Chromosomen aus Basenpaaren.

Das Genom der Bäckerhefe, das insgesamt aus 16 Chromosomen besteht, ist seit 1996 entschlüsselt. Das jetzt nachgebaute Chromosom III gilt als das drittkleinste der Hefe. Dennoch brauchten die Wissenschaftler um Jef Boeke vom New York University Langone Medical Center sieben Jahre, um die 273.871 Basenpaare zusammenzubasteln. Das künstliche Chromosom, das den Namen synIII trägt, ist etwas kleiner als sein natürliches Vorbild, das aus 316.667 Basenpaaren besteht. Zum Vergleich: Ein menschliches Chromosom enthält durchschnittlich 140 Millionen Basenpaare.

Glücksspiel im Labor - Im ersten Schritt entfernten die Forscher am Computer sich wiederholende Informationen aus der Basenpaar-Abfolge der Hefe, berichten sie im Fachmagazin „Science“. Für das Wachstum und die Fortpflanzung der Zellen sind die Informationen überflüssig. Ebenfalls ignoriert wurde Junk-DNA, also Basenpaarfolgen, die keine Informationen zur Proteinherstellung tragen. Gleichzeitig fügten Boeke und Kollegen der DNA Bausteine hinzu, um einzelne Abschnitte als künstlich oder natürlich zu markieren oder sie später zu löschen oder zu verschieben.

„Ein Genom zu verändern, ist immer auch ein Glücksspiel“, so Boeke. Eine falsche Veränderung könne die Zelle töten. „Wir haben den DNA-Code des Chromosoms über 50.000-mal verändert und die Hefe lebt immer noch.“

60 Studenten hatten dem Computer-Chromosom im Labor Leben eingehaucht. Die Nachwuchsforscher fügten kurze DNA-Schnipsel zu immer längeren Strängen zusammen und schleusten sie in Hefezellen ein. Anschließend testeten sie, wie gut die Hefe mit dem künstlichen Chromosom leben konnte.

Unter 19 verschiedenen Bedingungen - unterschiedlichen Temperaturen oder in Säure - prüften sie, wie schnell sich die Hefe vermehrte. Außerdem beobachteten sie in 30 Hefekolonien, inwiefern sich durch Zellteilung Mutationen in die DNA einschlichen. Nach 125 Teilungen ging es der Hefe immer noch gut. Dass Informationen bei der Zellteilung verloren gingen, sei normal, so Boeke. In synIII sei der Anteil nur minimal höher gewesen als in natürlichen Zellen.

Genreihenfolge würfeln - Das Chromosom herzustellen, war den Forschern jedoch nicht genug. Sie veränderten zusätzlich die Erbinformation, um Einfluss auf die Funktion der Organismen zu nehmen. Das Prinzip könne man sich mit einem Kartenspiel vorstellen, erklärt Boeke. Jedes Gen sei eine Karte. „Wir können alle möglichen Gruppen von Karten zusammenpacken, die Reihenfolge vermischen und Hunderte verschiedene Decks zusammenstellen. Dann können wir so lange mischen, bis wir ein Deck finden, mit dem die Hefe unter festgelegten Bedingungen am besten überleben kann - etwa unter höheren Alkoholkonzentrationen.“

Über die Methode seien Forscher in der Lage, im Labor in kurzer Zeit Genvarianten herzustellen, über die Hefe beispielsweise seltene Medikamente erzeugen könne. Etwa Artemisinin, eine Substanz, die natürlich von einer Pflanze - dem Einjährigen Beifuß - hergestellt wird und die gegen multiresistente Stämme eines Malariaerregers eingesetzt wird. Auch der Impfstoff gegen Hepatitis B wird mit Hilfe von Hefe produziert.

Bereits im vergangenen Jahrzehnt haben Forscher Chromosomen von Bakterien oder Erbgut von Viren im Labor erzeugt. Pionier auf dem Gebiet ist Craig Venter, der als erster das menschliche Erbgut entschlüsselte, 2008 die erste vollständige künstliche DNA herstellte und 2010 mit dem ersten künstlich erschaffenen Lebewesen - einem Bakterium - in die Schlagzeilen kam. Derzeit erforscht er die Alterungsprozesse in menschlichen Zellen.

Auch das künstliche Hefe-Chromosom ist der Anfang von einer viel größeren Idee: Langfristig soll das ganze Genom der Bäckerhefe nachgebaut werden. Schließlich werde es möglich sein, auch das Erbgut anderer Eukaryonten im Labor herzustellen - etwa von Pflanzen oder Tieren, schreiben die Forscher. Sie haben noch viel vor.

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