Molekularbiologie: Auf dem Weg zum künstlichen Leben

Mit Mycoplasma mycoides JCVI 1.0 ist es einem Team um Genomforscher Craig Venter schon 2010 gelungen: eine künstliche Variante eines Bakteriums im Labor zu konstruieren. Jetzt ist das „Synthetic Yeast Genome Project“, das Hefeforscherkonsortium Sc2.0, auf dem besten Weg, auch das Erbgut einer hoch entwickelten, komplexen Eukaryonten-Zelle zu synthetisieren – aus denen im Prinzip auch der Mensch zusammengesetzt ist.

Während Venter für seine erste künstliche Minizelle nur etwa eine Million DNS-Bausteine zusammenbasteln und in eine Mycoplasmazelle stecken musste, muss das Sc2.0-Konsortium insgesamt zwölf Millionen Bausteine rekonstruieren, die in 16 Chromosomen unterteilt sind. Das erste Chromosom der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae wurde schon 2014 von Jef Boeke vom Institut für Systemgenetik der New York University synthetisiert.

Nun hat das von Boeke mitgegründete Sc2.0-Konsortium weitere fünf nachgebaut, vorgestellt in Studien im Fachblatt „Science“. „Wir schaffen dabei kein neues Leben“, betonte Boeke gegenüber dem Tagesspiegel. Ausgangspunkt sei immer eine lebende Zelle. „Zum Vergleich: Wir bauen keinen Computer, sondern verpassen den Zellen nur eine neue, optimierte Version ihres Betriebssystems.“

Es könnte Gentherapien erleichtern

Die Forscher schaffen keine einfache Kopie der Hefe, sondern wollen lernen, worin die Aufgabe bestimmter Erbgutabschnitte besteht, welche unverzichtbar oder gar überflüssig sind. Dabei geht es weniger um die Information in den Genen, sondern die Aufgabe genfreier Erbgutstücke, die zum Beispiel für das korrekte Verpacken des DNS-Fadens im Chromosom gebraucht werden. Dazu ließen die Wissenschaftler Teile des Erbguts weg (fast acht Prozent) oder strukturierten es um.

Tatsächlich zeigte sich, dass viele mehrfach wiederholte Bausteinabfolgen, Repeats genannt, offenbar überflüssig sind. „Das bedeutet, dass sie auch beim Menschen verzichtbar wären“, sagt Joel Bader, Sc2.0-Forscher von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore. Das könnte Gentherapien erleichtern. Auch spezielle Unterbrechungen in Gensequenzen (Introns) lassen sich bei der Hefe offenbar problemlos löschen. Was wiederum beim Menschen nicht der Fall sein dürfte, da sie dort eine Funktion beim Verknüpfen von Genabschnitten (Splicen) spielen, sagt Bader. „Die Methoden, die wir für die Analyse der Hefechromosomen entwickelt haben, könnten helfen, die Funktion dieser Regionen beim Menschen besser zu verstehen.“

Zu viel Veränderungen durften die Forscher allerdings nicht vornehmen. Tatsächlich hatten einige der synthetischen Chromosomen zunächst Defekte, die die Lebensfähigkeit der Hefezellen einschränkten und die korrigiert werden mussten. „Für den Fall hatten wir mit einem hierarchischen Design vorgesorgt, mit dem wir den Fehler eingrenzen und beseitigen konnten“, erklärt Bader.

Deutsche Forscher fordern mehr Unterstützung

Bislang werden die einzelnen synthetischen Chromosomen in Hefezellen gehalten, deren übrige Chromosomen natürlichen Ursprungs sind. „Aber das Ziel ist natürlich, am Ende alle 16 synthetischen Chromosomen in einer Zelle zusammenzuführen“, sagt Bader. Davon sind die Forscher noch ein ganzes Stück entfernt. Ein bis zwei Jahre brauche es noch, schätzt Bader, um alle Chromosomen beisammen zu haben, zwei bis drei weitere, um daraus einen komplett synthetischen Hefestamm zu züchten, den ersten künstlichen Eukaryonten.

Dieser Meilenstein wird von chinesischen, amerikanischen, britischen, australischen Forschern des Konsortiums erreicht werden, aber ohne nennenswerte deutsche Beteiligung. „Deutschland ist bei solchen Projekten leider selten Vorreiter“, sagt Hans Lehrach, Genomforscher am Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik.

Dabei ließe sich beim Sc2.0-Projekt nicht nur wissenschaftlich viel lernen, sondern auch die Technik für das Synthetisieren von großen DNS-Abschnitten verbessern. Die werden anderswo entwickelt, etwa im „HGPwrite“-Projekt des Harvard-Genomforschers George Church, der das menschliche Genom synthetisieren will. „Es wäre sinnvoll, wenn das Bundesministerium für Bildung und Forschung gezielt Fördermittel für die Teilnahme an dem Hefesynthese-Vorhaben ausschreiben oder Technologieentwicklungsprojekte unterstützen würde“, sagt Lehrach.