Revolutionierung der Biologie: Das halbsynthetische Hefegenom eröffnet neue Horizonte in der Gentechnik

Synthetische DNA mag wie Science-Fiction erscheinen, wird aber schnell zur Realität. Forscher haben eine Hefezelle geschaffen, die mehr als 50 % künstliches Genom enthält, darunter das weltweit erste vollständig künstliche Chromosom.

Wissenschaftler hatten zuvor künstliche Bakterien- und Virusgenome hergestellt, doch der nächste Schritt waren Eukaryoten, eine Zelle, in der sich das gesamte Genom in einem membrangebundenen Zellkern befindet. Hefe könnte hierfür die natürliche Wahl gewesen sein, beispielsweise Bäckerhefe (Weinhefe) hat ein kompaktes Genom mit nur 16 Chromosomen und verfügt über eine angeborene Fähigkeit, DNA miteinander zu verknüpfen.

Die am Projekt „Synthetic Yeast Genome“ (Sc2.0) beteiligten Forscher wollten jedoch etwas anderes tun, als einfach nur DNA zu synthetisieren, indem sie der Hefe ein „Designer“-Genom gaben. „Wir haben entschieden, dass es wichtig ist, etwas zu produzieren, das sehr stark vom Design der Natur beeinflusst wird“, sagte Hauptautor und Sc2.0-Leiter Jeff Buckey in der Zeitung. Stellungnahme. „Unser übergeordnetes Ziel war es, eine Hefe zu bauen, die uns neue Biologie lehren könnte.“

Ein künstliches Genom herstellen

Das Team entfernte zunächst sogenannte „Junk“-DNA aus dem Genom und ersetzte sie durch frische DNA-Schnipsel, um zwischen synthetischen und ursprünglichen Genen unterscheiden zu können, und ordnete dann die Reihenfolge der Gene neu. Es musste noch eine weitere große Entfernung vorgenommen werden – tRNA-Gene.

Während die von ihnen kodierten Proteine ​​eine entscheidende Rolle in Zellen spielen, machen tRNA-Gene auch das Hefegenom instabil. In einem revolutionären Schritt entfernten die Forscher es und übertrugen es auf ein völlig neues „neues Chromosom“, das auf t-RNA-Genen basiert. „Das neue tRNA-Chromosom ist das weltweit erste vollständig künstliche Chromosom“, sagte Co-Autor Patrick Yezi Cai. „So etwas gibt es in der Natur nicht.“

Zusammen mit dem neuen Chromosom fügten die Forscher jedes Chromosom einzeln zusammen, bevor sie 16 teilweise künstliche Hefestämme erzeugten, die jeweils 15 normale und ein künstliches Chromosom enthielten.

Setzen Sie die Teile zusammen

Dann kam der schwierige Teil: alle künstlichen Chromosomen in einer einzigen Hefezelle zusammenzufassen. Dabei handelte es sich um eine Kombination aus der klassischen Gentechnik – der Hybridisierung – und einigen völlig neuen Ansätzen. Die Hybridisierung verlief langsam, und obwohl die resultierende Hefe mehr als 30 % synthetische Genome enthielt, suchten die Forscher nach mehr.

Nachdem sie eine neue Methode namens Chromosomenersatz und eine CRISPR/Cas9-ähnliche Technologie zur Reparatur genetischer Defekte eingesetzt hatten, konnten sie eine einzelne Hefezelle erhalten, die mehr als 50 % synthetische DNA enthielt. Die Manipulation ihres Genoms hätte dazu führen können, dass die Hefe wuchs oder abnormal aussah, aber dank sorgfältiger Herstellung überlebte die Hefe und vermehrte sich ähnlich wie Wildhefe.

„Das Team hat nun das Betriebssystem der Keimhefe umgeschrieben und damit eine neue Ära der technischen Biologie eingeläutet – vom Herumbasteln an einer Handvoll Genen zum De-novo-Design und Aufbau ganzer Genome“, sagte Kay.

Nächste Schritte

Hefe ist seit langem ein Grundnahrungsmittel in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion – sie ist der Grund, warum wir gutes Brot und Bier haben, jeder sagt „Danke, Hefe“ – und in der Wissenschaft, bei der Herstellung von Chemikalien und als Modellorganismus. Mithilfe synthetischer DNA können wir in diesen Bereichen große Fortschritte erzielen, wie Ben Blunt, einer der führenden Wissenschaftler, in seinem Artikel erklärte. Stellungnahme.

„Künstliche Chromosomen sind an sich schon enorme technische Errungenschaften, aber sie eröffnen auch eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für die Art und Weise, wie wir die Biologie studieren und anwenden. Dies könnte von der Schaffung neuer Mikrobenstämme für eine umweltfreundlichere Bioproduktion bis hin zur Unterstützung beim Verständnis und der Kontrolle von Krankheiten reichen.“ .“

Der nächste Schritt besteht darin, alle 16 künstlichen Chromosomen in einer einzigen Hefezelle zu vereinen. Das ist nicht einfach, aber die Forscher sind optimistisch. „Wir sind jetzt noch lange nicht am Ziel, alle 16 Chromosomen in einer Zelle zu haben“, sagte Bucky.

„Ich nenne das gerne das Ende vom Anfang, nicht den Anfang vom Ende, denn dann werden wir wirklich in der Lage sein, diese Oberfläche aufzumischen und Hefe zu produzieren, die Dinge tun kann, die wir noch nie zuvor gesehen haben.“

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.