THEMEN DER ZEIT

Synthetisches Leben: Solides Handwerk auf die Spitze getrieben

Dtsch Arztebl 2010; 107(22): A-1106 / B-976 / C-964

Meißner, Marc

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 unter dem Elektronenmikroskop. Die „synthetischen“ Zellen wachsen ähnlich schnell wie ihre natürlichen Vorbilder. Eine Zelle hat eine Größe von etwa 300 Nanometern. Foto: dpa
Der Genetiker Craig Venter hat zum ersten Mal gezeigt, dass man eine DNS-Sequenz, die zu Beginn nur im Rechner existierte, zum Bauplan einer lebenden Zelle machen kann. Dies ist technisch brillant, aber keine biologische Revolution.

Künstliches Leben zu erschaffen, ist ein alter Traum der Wissenschaft. Dem US-amerikanischen Genetiker Craig Venter und seinem Forschungsteam ist dies nach eigenen Angaben nun gelungen: In der „Science Express“-Ausgabe vom 20. Mai beschreiben die Wissenschaftler, wie sie eine Bakterienzelle erzeugt haben, deren Erbgut vorher am Computer entworfen wurde. „Dies ist die erste synthetische Zelle, die je geschaffen wurde“, stellte Venter fest. Wie ist diese Aussage unter wissenschaftlichen und technischen Gesichtspunkten zu bewerten?

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 ist der Name des neu geschaffenen Mikroorganismus. Für seine „Zeugung“ haben die Wissenschaftler 15 Jahre gebraucht. Ob er aber wirklich das erste künstliche Lebewesen darstellt, darf bezweifelt werden. „Wir bezeichnen die Zelle als ‚synthetisch‘, weil sie auf einem komplett synthetischen Chromosom beruht, das aus vier Fläschchen Chemikalien und einem Bindestoff hergestellt ist“, erläuterte dagegen Venter sein Vorgehen.

Schaut man sich das Experiment jedoch genauer an, ist das verwendete Erbmaterial nur bedingt künstlich, denn Vorlage für das synthetische Genom ist die DNS-Sequenz des Bakteriums Mycoplasma mycoides. Dieses wurde am Computer lediglich geringfügig – durch Einfügen eines „Wasserzeichens“ – verändert, um später die synthetischen Zellen identifizieren zu können. Ansonsten wären diese von -natürlichen Mycoplasma-mycoides-Bakterien nicht zu unterscheiden.

Eine technische Hürde für die Erschaffung eines kompletten Bakteriengenoms war jedoch die Länge seiner DNS – sie ist viel zu umfangreich, um in einem Produktionsschritt hergestellt zu werden. Die Forscher lösten das Problem, indem sie zunächst 1 000 kleinere DNS-Stücke synthetisierten. Daraus puzzelten sie dann das Mycoplasma-mycoides-Genom. Dies ging nur mit Hilfe von Mikroorganismen, die die Stücke korrekt zusammenfügten und vermehrten.

Das schließlich im Experiment verwendete Erbmaterial entstammt somit nicht einem synthetischen Herstellungsprozess, sondern ist das Produkt eines speziellen Hefestamms. „Künstlich“ ist allerdings noch die Abfolge der Basenpaare, die der zuvor am Rechner entworfenen Sequenz entspricht.

Mit diesem synthetischen Genom ersetzten die Wissenschaftler das Erbmaterial einer Mycoplasma-capricolum-Zelle. Die auf diese Weise entstandenen Organismen zeigten nach einigen Generationen alle Eigenschaften einer Mycoplama-mycoides-Zelle und nicht mehr die der Wirtszelle.

Venters Team konnte damit zeigen, dass man eine DNS-Sequenz, die zu Beginn nur im Rechner existierte, zum Bauplan einer lebenden Zelle machen kann. Durch den Austausch des Genoms kann aus einem Bakterienstamm ein anderer werden. Vereinfacht ist dies so, als würde man aus einem Porsche einen Ferrari machen, indem man den Motor austauscht. Da der Wirtszelle nach dem Genomaustausch lediglich die Informationen des neuen Erbmaterials zur Verfügung stehen, setzt sie diese um. Das führt dazu, dass die Bakterien nach einigen Zellteilungen dem neuen Bauplan entsprechen.

Wirklich überraschend ist das Ergebnis jedoch nicht. Die Manipulation des bakteriellen Erbguts gehört zum Handwerkszeug mikrobiologischer Forschung. Allerdings werden in der Regel nur einzelne Gene oder Teile eines Genoms verändert. Venter und sein Team haben diese Methoden konsequent auf die Spitze getrieben. Schon vor einigen Jahren war es ihnen gelungen, das Genom eines Bakteriums durch ein anderes zu ersetzen. 2008 schafften sie es erstmals, ein synthetisches Genom herzustellen. Mit dem Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 ist nun die Kombination beider Experimente gelungen. Insofern ist die erste künstliche Zelle keine Revolution, sondern nur die Bestätigung, dass sich auch ein synthetisches Genom in eine Zelle einschleusen lässt.

„Dies ist ein sehr machtvolles Instrument, um die Biologie nach unseren Wünschen neu zu formen“, stellte Venter fest. „Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.“ Eine schnellere Impfstoffherstellung durch spezialisierte Zellen, Mikroorganismen, die Kohlenstoffdioxid binden oder Öl auffressen, könnten dieser Entwicklung entspringen, spekuliert der Genetiker. Ob dies erst durch einen Genomaustausch bei Bakterien möglich wird, ist fraglich. Auch mit den schon etablierten mikrobiologischen Instrumenten lassen sich Stoffwechselwege manipulieren oder in andere Organismen übertragen. Inwieweit sich durch synthetische Zellen diese Möglichkeiten erweitern lassen, muss sich erst noch zeigen.

„Wir sind vom Lesen des genetischen Codes dazu übergegangen, ihn zu schreiben“, bewertet Venter die Bedeutung des Experiments. Doch genau da liegt auch die Krux: Um einen genetischen Code schreiben zu können, der nicht eine bloße Kopie oder Neukombination natürlicher Codes ist, versteht man noch zu wenig von den Abläufen innerhalb einer Zelle. Selbstverständlich ist von vielen Genen bekannt, welche Proteine sie codieren und was diese machen. Aber die Regulation dieser Gene und auch der Proteine ist in ihrer Komplexität bisher nur bruchstückhaft erforscht. Schon die Vorhersage der räumlichen Struktur eines Proteins aufgrund seiner Gensequenz ist ein bisher nicht gelöstes Problem.

Den genetischen Code zu schreiben, um Leben vom Reißbrett zu erschaffen, mag zwar durch die synthetische Zelle technisch machbar erscheinen, aber einem ausreichenden Verständnis der Biologie, um ein solches Lebewesen zu entwerfen, ist man damit nicht nähergekommen.
Dr. rer. nat. Marc Meißner


Foto: dpa
J. Craig Venter
Der Name J. Craig Venter ist eng mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms verknüpft: 1998 gründete der Genetiker die Firma Celera Genomics, die sich zum Ziel setzte, das menschliche Genom zu entziffern. Er startete damit einen Wettlauf mit dem aus öffentlichen Geldern finanzierten Human Genome Project um die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts, den er schließlich 2001 gewann: In „Science“ publizierte er als Erster die vollständige Genomsequenz eines Menschen.

2006 bildete er durch die Zusammenlegung mehrerer Organisationen das J. Craig Venter Institute, das sich seit seiner Gründung mit der Erschaffung eines synthetischen Organismus beschäftigt.
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1.
Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al.: Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science DOI: 10.1126/science.1190719. MEDLINE
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Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 unter dem Elektronenmikroskop. Die „synthetischen“ Zellen wachsen ähnlich schnell wie ihre natürlichen Vorbilder. Eine Zelle hat eine Größe von etwa 300 Nanometern.
1. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al.: Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science DOI: 10.1126/science.1190719. MEDLINE
2. Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 unter dem Elektronenmikroskop. Die „synthetischen“ Zellen wachsen ähnlich schnell wie ihre natürlichen Vorbilder. Eine Zelle hat eine Größe von etwa 300 Nanometern.

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