Ein wichtiger Meilenstein wurde erreicht, indem lebensfähige Hefezellen mit einem hohen Anteil an künstlich hergestelltem Erbgut erzeugt wurden. Diese halbsynthetischen Zellen enthalten siebeneinhalb Chromosomen, die im Labor aus DNA-Bausteinen und Hüllstrukturen zusammengesetzt wurden. Dieser Fortschritt ist von großer Bedeutung für die Entwicklung eines eukaryotischen Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom. Die Forschungsergebnisse ermöglichen neue Erkenntnisse über die Struktur des Erbguts und eröffnen neue Möglichkeiten für die Genmanipulation und die Bekämpfung von Krankheiten.
Meilenstein im Synthetic Yeast Project: Hefe 2.0 mit synthetischem Genom
Das Synthetic Yeast Project (Sc2.0) ist ein ambitioniertes Vorhaben, bei dem versucht wird, alle 16 Chromosomen einer Hefezelle zu synthetisieren und eine lebensfähige Hefe 2.0 zu erschaffen. Bereits im Jahr 2014 wurde das erste künstliche Chromosom der Hefe erfolgreich konstruiert. Darauf aufbauend wurde im Jahr 2017 die erste lebensfähige Hefezelle mit synthetischen Chromosomen hergestellt. Diese bahnbrechende Leistung eröffnet neue Möglichkeiten in der synthetischen Biologie und könnte zu wichtigen Fortschritten in der Medizin und Biotechnologie führen.
Ein wichtiger Meilenstein wurde erreicht, indem halbsynthetische Hefezellen erzeugt wurden. Diese Zellen enthalten sieben ganze und ein halbes künstliches Chromosom, was bedeutet, dass ihre DNA zu mehr als der Hälfte im Labor hergestellt wurde. Interessanterweise enthält diese Designer-Hefe das größte und genreichste Chromosom der Hefe. Obwohl das Wachstum der Designer-Hefe langsamer ist als das der natürlichen Hefe, konnte sie sich dennoch erfolgreich vermehren. Dieser Durchbruch ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Schaffung eines Organismus mit einem komplett synthetischen Genom.
Die Erzeugung der halbsynthetischen Hefe war ein aufwendiger Prozess, der von mehreren internationalen Teams durchgeführt wurde. Jedes Team konstruierte ein Chromosom und entfernte nichtproteinkodierende DNA sowie wiederholte Elemente. Zusätzlich wurde ein Wasserzeichen entwickelt, um synthetische von natürlichen Hefezellen zu unterscheiden. Das Ergebnis waren 16 unterschiedliche Hefestämme, von denen jeder 15 natürliche Chromosomen und ein Chromosom mit synthetischer DNA enthielt.
Eine wichtige Herausforderung besteht darin, die verschiedenen synthetischen Chromosomen in einer Hefezelle zu kombinieren, ohne die Zelle dabei zu schädigen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Methode der Chromosomen-Substitution entwickelt, die herkömmliche Kreuzungsversuche überflüssig macht. Diese Methode ermöglicht es den Forschern, die synthetischen Chromosomen gezielt in die Hefezelle einzuführen, um sie genetisch zu verändern. Auf diese Weise können neue genetische Merkmale oder Funktionen in der Zelle erzeugt werden.
Bei den Experimenten zur Vereinigung der siebeneinhalb künstlichen Chromosomen in einer Hefezelle traten unerwartete Schwierigkeiten auf. Es kam zu Dopplungen und gegenseitigen Störeffekten zwischen einigen Teilen der Chromosomen, und es fehlten auch bestimmte DNA-Abschnitte. Die Forscher entschieden sich dafür, eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 einzusetzen, um diese genetischen Defekte zu beheben. Dank dieser „Debugging“-Methode konnten sie wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Prinzipien des Lebens gewinnen.
Das Ergebnis der Forschung ist ein Hefestamm, dessen Erbgut zu mehr als der Hälfte aus im Labor hergestellten Chromosomen besteht. Diese Chromosomen wurden absichtlich stark modifiziert und stark vereinfacht, um sich vom natürlichen Design zu unterscheiden. Ein völlig neues Chromosom, das in der Natur nicht vorkommt, wurde ebenfalls erschaffen. Es enthält alle 275 Gene, die normalerweise über verschiedene Chromosomen verstreut sind und für die Produktion von Transfer-DNA verantwortlich sind.
Die bevorstehende Schaffung eines eukaryotischen Organismus mit einem synthetischen Genom stellt einen bahnbrechenden Fortschritt in den Bereichen Zellbiologie und Genetik dar. Dieser Meilenstein wird unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Lebens grundlegend verändern. Die Forschung an synthetischen Chromosomen hat bereits zu zahlreichen neuen Erkenntnissen über die Struktur und das Zusammenspiel verschiedener DNA-Abschnitte und Gene geführt. Die Fähigkeit, Erbgut direkt aus Bausteinen zusammenzusetzen, eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Genmanipulation, von der Entwicklung umweltfreundlicherer Mikrobenstämme bis hin zur Bekämpfung von Krankheiten.
Die Entwicklung von synthetischen Chromosomen stellt einen Meilenstein in der technischen Umsetzung von biologischen Prozessen dar. Durch die gezielte Konstruktion und Veränderung des Erbguts eröffnen sich zahlreiche neue Möglichkeiten für die Erforschung und Anwendung der Biologie. Die synthetischen Chromosomen ermöglichen es, gezielt Gene zu manipulieren und dadurch das Verständnis von biologischen Prozessen zu vertiefen. Zudem eröffnen sie neue Ansätze für die Entwicklung von Therapien und die Herstellung von nachhaltigen Bioprodukten.
