Forscher erschaffen das erste künstliche Chromosom

Wer künstliche Lebewesen erschaffen will, muss ihre Erbinformation nachbauen – die kleinsten Teilchen allen Lebens. Auch schnöde Bier- oder Bäckerhefe hat so etwas: Gene, Desoxyribonukleinsäure (DNA), Chromosomen. Jetzt haben Forscher der Uni Baltimore es geschafft, einem solchen Hefepilz ein Chromosom ins Erbgut einzubauen, das sie vollständig am Reißbrett entworfen hatten. Der Erfolg: Der Hefepilz lebte damit munter weiter. Es ist ein erster Schritt auf dem Weg zur Zucht künstlicher Organismen.

Seit Jahrhunderten ist die Bier- oder Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) der Menschheit treu zu Diensten. Sie macht den Brotteig locker, wird als Arznei empfohlen und beschert den Deutschen ihr liebstes Kaltgetränk. Und sie ist seit Jahrzehnten ein Modellorganismus für Forscher, die an den einzelligen Pilzen studieren, wie Zellen grundsätzlich organisiert sind, wie sie leben und sich vermehren. Wissenschaftler aus der Disziplin der Synthetischen Biologie züchten der Hefe besondere Eigenschaften an, schalten Gene aus und ein. Ihr Ziel: Lebewesen genetisch so zu basteln, dass sie den Job machen, für den man sie braucht: Wirkstoffe für Medikamente produzieren zum Beispiel. Längst ist die Laborhefe ein mikrobiologisches Frankenstein-Geschöpf.

Doch noch nie hatten Forscher ein komplett synthetisch hergestelltes Chromosom in die Bier- oder Bäckerhefe einschleusen können – und das auch noch, ohne die Zellen dabei kaputt zu machen. Das gelang nun dem Molekularbiologen Jef Boeke und seinen Kollegen aus Baltimore. Der Stoffwechsel der Zellen, deren DNA nun ein Stück Designer-Erbgut aus dem Labor enthielt, funktionierte weitgehend normal weiter, schreiben sie im Magazin Science.

Ähnliches war zwar schon mit Bakterienzellen gelungen. Aber noch nie mit einem Eukaryoten, also einem Lebewesen, das echte Zellkerne in seinen Zellen besitzt – so wie die Bierhefe, andere Pilze, alle Pflanzen und Tiere. Barbara Di Ventura, Leiterin der Arbeitsgruppe Synthetische Biologie an der Universität Heidelberg, hält diesen Schritt für einen großen Erfolg. Überraschend kommt der zwar nicht – das Team von Boeke hatte sein Konzept schon 2011 im Magazin Nature vorgestellt. "Doch dass sie es jetzt tatsächlich geschafft haben, ein ganzes Chromosom zu ersetzen und es stabil ist, das ist schon ein Ding", sagt Di Ventura.

Die Forscher wollten mit ihrem Designer-Chromosom aber nicht detailgetreu die Natur nachahmen, sondern das Hefe-Genom, also die Gesamtheit aller Erbinformationen, gleich etwas entschlacken. Im Laufe der Evolution vererbt sich nämlich allerhand Datenschrott, vieles liegt doppelt vor oder dümpelt ohne weitere Funktion auf dem DNA-Strang vor sich hin. Ein von solchem Ballast befreites Genom kann zu einem effizienteren Organismus führen, der beispielsweise schneller wächst. Ihr künstlich geschaffenes Hefe-Chromosom entwarfen die Mikrobiologen deshalb deutlich kürzer als sein natürliches Gegenstück: Teile, denen bisher kein offensichtlicher Nutzen nachgewiesen werden konnte, ließen sie weg. 

Der künstliche Baustein ist das drittkleinste von 16 Chromosomen, die in jedem Zellkern der Bierhefe stecken. Diese langen DNA-Moleküle sind aus den immer gleichen vier Nukleotiden aufgebaut. Wie in allen Lebewesen enthalten diese Bausteine die Anleitung für die Produktion von Aminosäuren und damit von Proteinen, also Eiweißen, die Grundlage aller Stoffwechselprozesse. Die genaue Abfolge der Nukleotide bestimmt, welche Eiweiße hergestellt werden. Das Erbgut der Hefe besteht aus 12 Millionen dieser Bausteine.

Für das Kunstchromosom bauten die Wissenschaftler zunächst kleine Blöcke von ungefähr 750 Nukleotiden und fügten diese dann zu größeren Stücken von bis zu 50.000 Nukleotiden zusammen. Letztendlich schleusten die Forscher ein Chromosomenstück aus rund 300.000 Bausteinen in eine lebende Hefezelle ein, wo sie einen Teil der natürlichen DNA ersetzten. Diesen Vorgang wiederholten sie so lange, bis sie das gesamte Bierhefe-Chromosom Nummer III vollständig ersetzt hatten – das künstliche Chromosom Syn III war geschaffen.

Erbgut künftig auch für Vielzeller?

Und Syn III sitzt nicht nutzlos im Zellkern herum, es erfüllt seinen Zweck, ganz so wie sein natürliches Vorbild: Sein Erbgut wurde erkannt, abgelesen und in Eiweiße umgesetzt, die so ein Bierhefe-Stoffwechsel zum Überleben braucht. Die künstlichen Hefezellen sind unter Laborbedingungen genau so lebensfähig wie ihre unveränderten Vorfahren.

Die Hefe lebt, obwohl etwas fehlt

Gerade die im künstlichen Chromosom fehlenden Teile sind für die Biologen aufschlussreich. Hätten sie doch zu viele Gen-Abschnitte weggelassen, könnten wichtige Prozesse nicht mehr ablaufen. Im Rückschluss können diese ausfallenden Prozesse den fehlenden DNA-Teilen zugeordnet werden. Um auch später noch Änderungen am neuen Erbgut vornehmen zu können, haben die Wissenschaftler außerdem einen eleganten Mechanismus in das Chromosom eingebaut: Bestimmte DNA-Abschnitte lassen sich noch nachträglich in der lebenden Zelle gezielt entfernen. Dazu haben die Forscher manche Gene mit Sollbruchstellen ausgestattet. Auf spezifisch steuerbare Reize hin wird der DNA-Strang an diesen Stellen geschnitten und – wie bei einem kaputten Tonband – ohne den Mittelteil wieder zusammengefügt. Auf diese Weise lässt sich auch im Nachhinein noch herausfinden, ob eine bestimmte Stelle im Erbgut eine essenzielle Rolle für die Hefe spielt: dann nämlich, wenn ein Entfernen des Gen-Abschnitts merkliche Funktionsverluste nach sich zieht.

In der Zukunft könnten wohl auch komplexere, vielzellige Organismen mit synthetisiertem Erbgut ausgestattet werden. Bis dahin wird in Frankensteins Laborbrauerei aber weiter an Hefe geforscht. Denn die sei sehr tolerant, was Veränderungen an ihrem Erbgut angeht, erklärt die Heidelbergerin Barbara Di Ventura. Auf mittlere Sicht wollen die Forscher das gesamte Bierhefe-Genom künstlich schaffen, also alle 16 Chromosomen. "Einige Zeit wird das aber noch dauern", vermutet Di Ventura, "vielleicht gelingt es irgendwann im Laufe der nächsten zehn Jahre". Mit dem Wissen um die Funktion aller DNA-Abschnitte lässt sich dann genau sagen, welche Teile wichtig sind. Die Hefe könnte dann beispielsweise noch besser als bisher als maßgeschneiderter Produzent für Medikamente eingesetzt werden, oder als optimierter Hersteller von Biosprit.