3. Jul 2019

Syn61 – synthetisches Bakterium mit reduziertem Code

Das „Arbeitspferd“ der Molekularbiologie erhält ein neues Erbgut. Drei Stellen im genetischen Code sind nun frei und bieten Raum für ungewöhnliche Proteine.

Den genetischen Code verändern und neuartige Biopolymere erschaffen – an Utopien hat es der synthetischen Biologie nie gemangelt. Doch nun verfügt sie auch über das passende Werkzeug. Englische Forscher haben einen synthetischen Organismus erzeugt, der die Manipulation des Codes zu einem Kinderspiel macht.

Das Bakterium E. coli lässt quasi jeden genetischen Eingriff geduldig über sich ergehen – darum ist es auch das liebste Arbeitspferd der Molekularbiologen. Doch was Forscher um Jason Chin aus dem englischen Cambridge mit ihm angestellt haben, stellt alles bisherige in den Schatten: Sie haben das gesamte Erbgut, insgesamt 4 Millionen DNA-Bausteine, vollständig durch synthetische DNA ersetzt. Dazu wurden etwa 400 DNA-Fragmente am Computer entworfen, von einer Firma chemisch hergestellt und dann schrittweise zusammengesetzt (mehr Details in der Fachzeitschrift Nature).

Den bisherigen Rekordhalter, ein M. mycoides-Bakterium mit einem synthetischen Erbgut von etwa einer Million DNA-Bausteinen, übertrifft das neue E. coli dabei um das Vierfache.

Drei Codons für neue Zwecke

Das neue Erbgut wurde zudem massiv überarbeitet. Ziel war der genetische Code, der mit kurzen Worten aus drei DNA-Buchstaben – den Codons – die Produktion von Proteinen steuert. Es gibt 64 mögliche Codons, zum Einsatz kommen aber nur 20 Aminosäuren und ein Stoppsignal: Fast jede Aminosäure und das Stoppsignal sind also mehrfach mit Codons belegt.

Wenn es gelingt, diese überzähligen Codons gleichwertig zu ersetzen, kann man sie auch vollständig aus dem Erbgut entfernen. Die Codons sind dann für andere Zwecke nutzbar – der uralte genetische Code bekommt einen neuen Eintrag. Dies gelang zwar bereits zuvor bei einer Handvoll Organismen, doch mit dem synthetischen E. coli können diese Bemühungen nicht mithalten. Über 18 000 Positionen wurden umgeschrieben, um die Zahl der Codons, die für die Aminosäure Serin stehen, von sechs auf vier zu reduzieren. Zugleich haben die Forscher aus Cambridge die Zahl der Stopp-Codons von drei auf zwei reduziert – insgesamt drei Codons stehen also nun zur freien Verfügung.

Das synthetische E. coli nutzt für den eigenen Stoffwechsel also nur noch 61 Codons – und wurde deshalb auf den Namen „Syn61“ getauft. Es überstand den Eingriff erstaunlich gut: Im Vergleich zum Mutterstamm sind die Bakterien zwar etwas länger, aber die Herstellung von Proteinen ist kaum beeinträchtigt. Vor allem vermehrt sich Syn61 mit fast normaler Geschwindigkeit, unter Standardbedingungen ist er nur 60 % langsamer als der Mutterstamm. Damit hebt es sich deutlich von anderen synthetischen Organismen ab, die meist unter schweren Wachstumsstörungen leiden.

Chancen für die Forschung, vielleicht auch für Medikamente

Syn61 ist also nicht nur der größte synthetische Organismus, sondern auch der einzige, der sich uneingeschränkt für den Einsatz im Labor eignet . Es hat auch bereits den Transfer und die Integration der ersten unnatürlichen Aminosäure gut vertragen, etwa 200 weitere dieser künstlichen Bausteine warten auf ihre Anwendung. Syn61,so die einhellige Meinung unbeteiligter Wissenschaftler, ist ein echter Durchbruch.

Doch welche Möglichkeiten eröffnen die neuen Codons? Zuerst einmal werden sich Forscher freuen, die die Funktion von Proteinen untersuchen. Sie können nun ihre Forschungsobjekte nach Belieben markieren und sie in lebenden Zellen verfolgen. Viele Fragen lassen sich so einfacher beantworten: Wo tauchen bestimmte Proteine auf, wann sind sie aktiv, mit wem interagieren sie?

Mittelfristig könnte auch die Medizin profitieren. An viele Medikamente wird die Substanz PEG angehängt, um deren Lebensdauer und Wirkung zu verbessern. Bei anderen Wirkstoffe kann die Kopplung an Antikörper die Zielgenauigkeit erhöhen. Das geht nur mit chemischen Kopplungsreaktionen, sie sich wesentlich besser steuer lassen, wenn eine unnatürliche Aminosäure als Ansatzpunkt dient.

Proteinfunktionen und chemische Kopplungen, schön und gut. Aber die Hoffnung (oder besser Hype?) der synthetischen Biologie war ja immer ein Stück höher gehängt: Etwas erschaffen, dass es zuvor nicht gab. Neue Arten von Medikamenten, Katalysatoren und Biomaterialien. Klare Vorstellungen, wie diese neuartigen Substanzen aussehen sollen, bleiben allerdings Mangelware. Aber mit Syn61 kommt nun vielleicht der kreative Schub. Ich bin jedenfalls sehr gespannt.

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