Freitag, 28. März 2014

Forscher konstruieren erstmals künstliches Chromosom eines "höheren" Lebewesens


Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) unter dem Mikroskop. | Copyright: Bob Blaylock, CC-by-SA 3.0

Baltimore (USA) - US-Forscher haben erstmals ein vollständig funktionales Chromosom der Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) synthetisiert und damit einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung der Erzeugung künstlichen Lebens getan.

Als Eukaryot gehört Saccharomyces cerevisiae wie Menschen und andere Tiere zu jenen Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen. Zwar war es zuvor schon dem US-Genetiker Craig Venter gelungen, das Genom eines bakteriellen Parasiten zu synthetisieren (...wir berichteten), doch ist die DNA-Sequenz der Backhefe als höherer Organismus deutlich komplexer.

Wie das Team um den Hefe-Genetiker Jef Boeke von der Johns Hopkins University aktuell im Fachjournal "Science" (DOI: 10.1126/science.1249252) berichtet, haben sie sich bei ihren Versuchen auf das kleinste Chromosom der Backhefe konzentriert: Das Chromosom III umfasst nur 2,5 Prozent der insgesamt 12 Millionen genetischen Buchstaben des Erbguts von Saccharomyces cerevisiae. Doch schon diesen Teilerfolg bezeichnen die Forscher selbst als "bisher größten Schritt in den internationalen Bemühungen, das Hefe-Genom vollständig nachzubauen".



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Bei ihrer synthetischen Rekonstruktion übernahmen die Genetiker allerdings nur 273.871 der insgesamt 316.667 Basenpaare der Hefe, da sich wiederholende Sequenzen, mobile Segmente und die sogenannte Junk-DNA laut bisheriger Lehrmeinung nicht für die Funktion der Zelle notwendig sind. Um spätere Manipulationen des Genoms identifizieren zu können, fügten sie dem synthetischen Chromosom zudem sogenannte Codeabschnitte hinzu.

Insgesamt fügten die Forscher so nach und nach unzählige DNA-Schnipsel zu jeweils 1.000 Basenpaaren langen Stücken zusammen und kombinierten diese dann wiederum zu immer längeren Ketten. Das Ergebnis: Das synthetische Chromosom, dem die Genetiker die Bezeichnungen "synIII" gaben.


Nachdem sie dann einer natürlichen Hefezelle ihr eigenes Chromosom III entfernt hatten, ersetzten sie dieses durch das künstliche Chromosom. Dies, so erläutern die Forscher, sei "ein heikles Spiel", da falsche Veränderungen bei der Aktivierung künstlicher Gene unausweichlich zum Absterben der Zelle führen.


Wie sich zeigte, waren die Bemühungen jedoch erfolgreich und trotz mehr als 50.000 Abänderungen im Chromosomencode entwickelte sich die Hefe mit künstlichem Genom völlig normal. Dieser Meilenstein, so zeigt sich Boeke stolz, zeige, "dass auch künstliche Chromosome robust sein können und man also auf diese Art und Weise der Backhefe neue Eigenschaften verleihen kann."


Der Weg zu maßgeschneiderten Organismen, die entsprechend ihrer Funktionen von medizinischen Wirkstoffe bis hin zu Treibstoffe produzieren oder Umweltschadstoffe abbauen können, scheint also weiter geöffnet als je zuvor. "Unsere Arbeit verschiebt den Zeiger der synthetischen Biologie von der Theorie in die Wirklichkeit", erklärt Boeke abschließend.


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