Forscher haben einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem sie lebensfähige Hefezellen mit einem hohen Anteil an künstlich hergestelltem Erbgut erzeugt haben. Diese halbsynthetischen Zellen bestehen aus siebeneinhalb Chromosomen, die im Labor aus DNA-Bausteinen und Hüllstrukturen neu zusammengesetzt wurden. Dieser Meilenstein markiert einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines eukaryotischen Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Genmanipulation und die Erforschung grundlegender biologischer Prozesse.
Das Sc2.0-Projekt: Auf dem Weg zur maßgeschneiderten Hefe 2.0
Das Synthetic Yeast Project (Sc2.0) ist ein Forschungsprojekt, das sich zum Ziel gesetzt hat, die 16 Chromosomen einer Hefezelle zu synthetisieren und eine lebensfähige Hefe 2.0 zu erzeugen. Im Jahr 2014 wurde das erste künstliche Chromosom der Hefe konstruiert, und 2017 gelang es, die erste lebensfähige Hefezelle mit synthetischen Chromosomen herzustellen. Dieser Durchbruch in der synthetischen Biologie eröffnet neue Möglichkeiten für die Manipulation von Genomen und hat das Potenzial, die Medizin und Biotechnologie zu revolutionieren.
Das Synthetic Yeast Project hat einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem es halbsynthetische Hefezellen geschaffen hat. Sieben ganze und ein halbes künstliches Chromosom wurden in lebende Hefezellen eingeschleust, wodurch das Erbgut der Designer-Hefezellen zu mehr als der Hälfte aus künstlich hergestellter DNA besteht. Trotz des langsameren Wachstums im Vergleich zur natürlichen Hefe konnten sich die Designer-Hefezellen erfolgreich vermehren. Dieser Fortschritt ebnet den Weg zur Erschaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem komplett synthetischen Genom.
Die Erschaffung der halbsynthetischen Hefe war ein komplexer und zeitaufwendiger Prozess, der von Forschungsteams weltweit durchgeführt wurde. Jedes Team konstruierte ein Chromosom und entfernte nichtproteinkodierende DNA sowie wiederholte Elemente. Zusätzlich entwickelten sie ein Wasserzeichen, um synthetische von natürlichen Hefezellen zu unterscheiden. Das Ergebnis bestand aus insgesamt 16 verschiedenen Hefestämmen, von denen jeder 15 natürliche Chromosomen und ein künstlich hergestelltes Chromosom enthielt.
Bei der Zusammenführung der verschiedenen synthetischen Chromosomen in einer Hefezelle, ohne deren Lebensfähigkeit zu gefährden, steht die Forschung vor einer großen Herausforderung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine innovative Methode der Chromosomen-Substitution entwickelt, die herkömmliche Kreuzungsversuche überflüssig macht. Mithilfe dieser Methode können die synthetischen Chromosomen gezielt in die Hefezelle eingeführt werden, um das genetische Material der Zelle zu verändern. Dadurch können neue genetische Merkmale oder Funktionen in der Hefe erzeugt werden.
Während der Versuche, die siebeneinhalb künstlichen Chromosomen in einer Hefezelle zu vereinen, stießen die Forscher auf unerwartete Herausforderungen. Es kam zu Dopplungen und Wechselwirkungen zwischen einigen Teilen der Chromosomen, und es fehlten auch bestimmte DNA-Abschnitte. Um diese genetischen Defekte zu beheben, griffen die Forscher auf eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 zurück. Durch dieses „Debugging“ konnten sie wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Prinzipien des Lebens gewinnen und den Weg für weitere Fortschritte ebnen.
Den Forschern ist es gelungen, einen Hefestamm mit einem Erbgut zu schaffen, bei dem mehr als die Hälfte aus maßgeschneiderten, im Labor hergestellten Chromosomen besteht. Diese Chromosomen wurden gezielt stark verändert und auf das Wesentliche reduziert, um sich vom natürlichen Design abzuheben. Darüber hinaus wurde ein komplett neues Chromosom erzeugt, das in der Natur nicht vorkommt. Es vereint alle 275 Gene, die normalerweise über verschiedene Chromosomen verstreut sind und für die Produktion von Transfer-DNA benötigt werden.
Die bevorstehende Schaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem synthetischen Genom stellt einen bedeutenden Meilenstein in den Bereichen Zellbiologie und Genetik dar. Dieser Fortschritt wird unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Lebens grundlegend verändern. Die Forschung an synthetischen Chromosomen hat bereits zahlreiche neue Erkenntnisse über die Struktur und das Zusammenwirken verschiedener DNA-Abschnitte und Gene geliefert. Die Fähigkeit, Erbgut direkt aus Bausteinen zusammenzusetzen, ermöglicht zudem neue Möglichkeiten der Genmanipulation, von der Herstellung umweltfreundlicherer Mikrobenstämme bis hin zur Entwicklung neuer Therapien gegen Krankheiten.
Die Entwicklung und Anwendung synthetischer Chromosomen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Biotechnologie dar. Durch die gezielte Konstruktion und Manipulation des Erbguts eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Erforschung und Anwendung der Biologie. Die synthetischen Chromosomen ermöglichen es, gezielt Gene zu verändern und dadurch die Eigenschaften von Organismen zu beeinflussen. Dies bietet großes Potenzial für die Entwicklung neuer Therapien, die Herstellung nachhaltiger Bioprodukte und die Erforschung von Krankheiten. Die Technologie der synthetischen Chromosomen wird die Biologie nachhaltig prägen.
