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Fachbeitrag„Mycoplasma laboratorium“

Fachbeitrag: „Mycoplasma  laboratorium“
Da das Immunsystem von Mensch und Fadenwurm sich ähneln, dienen die me...
Das künstlich hergestellte Bakterien-Genom Craig Venters

Richard E. Schneider *)

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  1. Freier Wissenschaftsjournalist, Brunnenstr. 16, 72074 Tübingen, Tel: 07071/253015
Mit der Herstellung eines künstlichen Genoms aus 5 MB synthetisierten Basenpaaren des Bakteriums „Mycoplasma genitalium“ glückte Wissenschaftlern vom J. Craig-Venter-Institute (JCVI), Rockville, Maryland, ein neuer Schritt zur freien Nachahmung der lebendigen Natur (Gibson et al., Science 29.02.2008). Mit der zu neuem Leben führenden Synthese-Biologie sollen chemische Systeme mit Eigenschaften von Lebewesen entstehen oder Lebend-Organismen, die genetisch auf ihre lebensnotwendigen Systemkomponenten reduziert wurden und keine kostenintensive Aufreinigung mehr benötigen.
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Begonnen hatte die synthetische Biologie in den 1970er Jahren mit der Entdeckung der Restriktionsenzyme und der Insertionselemente (Transposons), für die der Schweizer Werner Arber sowie die beiden US-Amerikaner Daniel Nathans und Hamilton Othanel Smith 1978 den Nobelpreis für Medizin erhielten. In den 1980er Jahren folgte die erste praktische Umsetzung dieses neuen Könnens mit der biotechnologischen Herstellung von Humaninsulin in E.coli-Bakterien, in deren Genom das entsprechende Gen „eingepflanzt“ worden war. Humaninsulin gilt heute als unverzichtbares Medikament für Diabetiker, die kein Schweineinsulin vertragen. Der nächste, erst vor wenigen Jahren erreichte Meilenstein bestand in der Verpflanzung kompletter Genome und deren Fortpflanzung in anderen Zellkörpern. In der Humanmedizin wurde schon früher das Einfrieren von Spermien, künstliche Befruchtung sowie Austragen von Embryos durch Leihmütter praktiziert. Auf diesem Gebiet wurden biologisch scheinbar unüberwindliche Grenzen überschritten. Heute können sogar über 60-jährige Frauen noch Mutter werden.

Der bislang letzte Schritt ist der Nachbau von Genomen im Labor. Die ersten Genomsynthesen erfolgten im Jahr 2002, als Eckard Wimmer das Poliovirus teilweise nachbaute und 2003, als das Team Craig Venter/Hamilton Smith das für Menschen ungefährliche Virus Phi X174 mit 5386 Basenpaaren rekonstruierte. Im Jahr 2005 schließlich wurde das Influenza-Virus, das 1918 in Europa die oft tödlich verlaufene „Spanische Grippe“ verursachte, teilsynthetisiert. Zuletzt war es Carole Lartigue, einer Wissenschaftlerin am JCVI, gelungen, dem Bakterium „Mycoplasma capricolum“ die komplette DNA zu entnehmen und durch ein Genom der Art „Mycoplasma mycoides“ zu ersetzen. Es wird berichtet, dass das mit einem fremden Genom lebende Bakterium die Eigenschaften des Spender-Bakteriums annahm und sich replizierte. Man könnte auch sagen, es hatte die Lebensgewohnheiten angenommen, die die übertragene DNA vorgab.

Wie das neue „Mycoplasma laboratorium“-Genom aussieht

Oh Wunder, das synthetische „Mycoplasma laboratorium“ ist bereits im Internet zu finden. Hergestellt wurde es aus dem Genom des „Mycoplasma genitalium,“ dem kleinsten aller Bakterien-Genome. Dessen Genom mit ca. 500 codierenden Genen und 588000 Basenpaaren wurde bereits vor zwölf Jahren sequenziert. Es besitzt überdies mehrere überlappende Gene. Hier kam eine Variante mit 381 codierenden Genen zum Einsatz. Immerhin handelt es sich um ein komplettes „Lebewesen“, das im Gegensatz zu Viren keinen „Wirt“ benötigt. Das Gen für Harnwegsinfektionen wurde entfernt. Gibson et al. verzichteten bei ihrer Synthesearbeit auf ca. 20 % des Ursprungsgenoms, also rund 100 Gene, die sie zur Fortpflanzung als nicht notwendig erachteten. Das verbliebene „Rest-Genom“ wurde in 101 Teile aufgeteilt. Jedes DNA-Teil enthielt ein oder mehrere Gene, die sich z.T. auf verschiedene Strangabschnitte verteilten. Sie wurden synthetisiert und später wieder zusammengesetzt. Die Nukleotide wurden im Einzelnen durch PNAs (Polyamide-linked-nucleic-acide-analogues) ersetzt. Es bildeten sich jedoch nur kurze Ketten von maximal 15 bis 20 Bausteinen.

Beim Ersatz der Ribose durch andere, weniger hydrophile Moleküle ergab sich eine ähnliche Lage: Anstatt hydrophiler mussten lipophile Bausteine verwendet werden, um die Moleküle durch die Zellmembran durchschleusen zu können. Jedoch führte der Ersatz von Phosphatmolekülen zur Bildung defekter Basenpaare in großem Umfang, als sich die neue, synthetische DNA replizierte. Die sich mühsam bildende Doppelhelix war nicht stabil genug. Sie konnte nur in Hefezellen vor dem Auseinanderbrechen geschützt werden. Als Ergebnis verwendbar aus dem gescheiterten Wachsen der künstlichen Doppelhelix ist die Erkenntnis, dass das Phosphat-Ribose-Gerüst vorläufig für die Erkennung durch Polymerasen unumgänglich ist.

Die Aneinanderreihung der einzelnen Basenpaare des synthetischen Genoms erfolgte in 101 Teilen, die in einem Zwischenschritt in insgesamt vier Teilstränge aufgeteilt wurden. Die Einzelteile wurden jeweils im Bakterium E. coli zusammengefügt, bis ein Viertel des Gesamtstranges miteinander verbunden war. Doch weil das Genom der E.coli-Bakterie nicht groß genug ist, musste die Gesamt-Zusammenfügung der letzten vier DNA-Teile in Hefezellen der Art Saccharomyces cerevisiae erfolgen. Hierfür mussten die künstlichen Genstränge erst präpariert, d.h. modifiziert werden. Das neue synthetische Genom erhielt mehrere Wasserzeichen, die es als solches auch für spätere Generationen erkennbar machen. Schließlich verglichen Venter, Smith & Co. ihr synthetisch hergestelltes Genom mit dem Ursprungsgenom, um die identische, fehlerfreie Reihenfolge beider DNA-Stränge zu kontrollieren.

Mit Fortgang der Arbeiten traten immer neue Probleme auf. So gelang es den JCVI-Mitarbeitern bisher nicht, ihr künstliches Bakterien-Genom in eine leere Mycoplasma-Hülle zu verpflanzen. Dies erläuterte Venter in „Science“ vom 25.1.2008. Über die gelungene Synthetisierung des Genoms des Mycoplasma genitalium berichtete der Chef des JCV-Institute bereits letzten Oktober. Übrigens erhielt er von einem privaten Biotech-Unternehmen sog. DNA-Schnipsel als Zulieferung Dritter und brauchte diese neuen synthetischen Bausteine nicht selbst herzustellen. Auch die junge deutsche Biotechnologie-Firma Geneart AG, Regensburg, spezialisierte sich auf die schnelle, synthetische Herstellung und Lieferung von Genen als Geschäftsgrundlage.

Nach allgemeiner Auffassung der Wissenschaftler ist die Verpflanzung eines Genoms in eine leere Zellhülle generell möglich. Venters Mitarbeiterin Carole Lartigue gelang bereits im letzten Jahr die Verpflanzung eines Mycobakterien-Genoms in die Zellhülle einer anderen Mycoplasma-Art, wie die Wissenschaftlerin in „Science“ vom 3.8.2007 berichtete. Jedoch scheint sich das synthetisch hergestellte und künstlich um 20 % d.h. 100 Gene verkleinerte Genom nicht fortpflanzen zu können. Liegt vielleicht hier noch ein weiteres Geheimnis des Lebens vor, das noch enträtselt werden muss? Oder liegt es doch an den synthetisch-chemischen Ersatzstoffen, die Venter und sein Team verwendeten?

Lob, Kritik und neue Erwartungen

Die Patentierung der ca. 400 verwendeten Gene ließ Craig Venter noch letzten Oktober in USA vornehmen. Wahrscheinlich muss er jedoch noch einige DNA-Bausteine weiter verändern, damit eine Genom-Replikation möglich wird. Wobei weiter davon auszugehen ist, dass die Polymerasen die einzelnen synthetischen DNA-Bausteine nicht speziell erkennen.

Trotz des bisher noch fehlenden letzten wichtigen Schritts der Replizierung des künstlichen Bakterien-Genoms blieben Craig Venter, Nobelpreisträger Hamilton Smith und ihre Mitarbeiter zuversichtlich, dass ihnen dieser Schritt in den nächsten Monaten gelingen wird. Diese Ansicht teilt auch Sven Panke, Institut für Verfahrenstechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH), Zürich: „Eine hervorragende technische Leistung“, nannte er die neue synthetische DNA-Konstruktion, die noch zu 80 % mit dem Original-Bakteriengenom übereinstimmt. Hans Lehrach. Direktor am MPI für molekulare Genetik in Berlin, betonte den richtigen Weg, den die US-amerikanischen Wissenschaftler beschritten hätten: Es komme auf die richtige Reihenfolge der DNA-Bausteine an, nicht auf den Weg, auf dem sie entstanden. Sein Max-Planck-Wissenschaftler-Team hatte Ende 2007 eine Arbeit über Genregulierung publiziert (Genomics, 14.11.07) und darin festgestellt, dass die Transkriptionsrate bestimmter Gene über chemische Modifikationen der Histone (Strukturproteine) reguliert werden kann. Lehrachs Berliner Institut für molekulare Genetik war an der Entschlüsselung des Humanen Genoms beteiligt und befasst sich heute immer noch wesentlich mit dem Menschen. Eine komplette Synthetisierung des Humangenoms hält Lehrach im Gespräch prinzipiell für möglich, jedoch technisch sehr schwierig; vor allem wegen der Proteine, die auf den Chromosomen des Humangenoms sitzen. Interessanter scheint den Berliner Genomforschern die Suche nach Genen zu sein, die Erkrankungen auslösen, um so zur Aufklärung der Ätiologie dieser Erkrankungen beizutragen. Testweise werden hierzu auch Labormäuse benötigt, deren Gene je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden, um besser den Erkrankungsprozess zu verstehen. Prof. Lehrach sagt, wer nicht an Krankheiten sterben möchte, muss diese Forschungsarbeiten im Labor akzeptieren, weil sie unumgänglich ist.

Weitere DNA-Projekte mit Mikroorganismen

Neue verkürzte oder gar synthetisierte Genome von Mikroorganismen wie Bakterien könnten sehr vorteilhaft in mehreren Industriebranchen eingesetzt werden. Zum Beispiel, um die aufwendige, kostentreibende Aufreinigung nach biotechnologischen Arbeitsgängen zu ersparen. Oder um schneller zu produzieren, denn durch Verkürzung des Genoms verkürzt sich meist auch dessen Replikationsphase. Craig Venter hatte bereits durch Abschalten der einzelnen Gene nachgewiesen, dass für sein laborgezüchtetes Mycobakterien-Genom „Mycoplasma genitalium JVCI-1.0“ rund 100 Gene überflüssig sind. Bakterien sind im allgemeinen genetisch sehr vielfältig ausgerüstet und somit bestens gewappnet gegen „die Wechselfälle des Lebens“.

Vorstellbar ist heute schon die Herstellung neuer künstlicher Lebewesen, die mit Eigenschaften ausgestattet sind, die ihr „Schöpfer“, der Wissenschaftler im Labor, aus anderen Genomen auswählte und transferierte. Vorstellbar, dass danach ein E.coli-Bakterium süß schmeckt und riecht. Selbstverständlich steht die wirtschaftlich-industrielle Nutzbarkeit des Organismus obenan. Nach J.C. Venter sollte es möglich sein, in absehbarer Zeit Bakterien herzustellen, die CO2 aus der Atmosphäre abbauen oder aus Pflanzenresten Biokraftstoffe, Butan- und Propangas produzieren. Weiter könnten biotechnologische Herstellungsverfahren in der pharmazeutischen und chemischen Industrie durch den Einsatz verkürzter oder veränderter Bakterien-Genome vereinfacht umgesetzt oder neu entwickelt werden.

Ein erster Schritt auf diesem Weg ist die Herstellung sog. genetischer Schaltkreise wie aus der Computer-Technologie bekannt. Sie sollen immer nur einen bestimmten, biologisch nützlichen Vorgang wiederholen, beispielsweise das Aufleuchten der Fluoreszenz in einer Bakterienzelle. Dies gelang zwar bereits, jedoch sind die genetische Schaltkreise zwangsweise innerhalb eines Genoms angeordnet. Und da dieses Genom sich repliziert und permanent Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, wird es zwangsläufig veränderlich. Doch konnten in einigen neueren wissenschaftlichen Arbeiten manche Evolutionsfaktoren bei der Replikation unterdrückt werden.

Den „Rauswurf überflüssiger Gene“ planen auch Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig, im Bakteriengenom von „Pseudomonas putida“. Das kleine Bakterium, dessen Gene sich wie bei „Mycoplasma genitalium“ teilweise überlappen, soll eines Tages aus chloraromatischen Verbindungen höherwertige pharmazeutisch-medizinisch nutzbare Moleküle in großem Stil produzieren. Dies wäre eine Verbindung des rein wirtschaftlichen Nutzeffekts mit dem persönlichen Wohlergehen des Menschen.

EU-Projekte: Gemeinsame Forschungsanstrengungen bei der synthetischen Biologie

Das EU-Projekt TESSY (Toward a European Strategy for Synthetic Biology) wurde am 1.1.2007 in Brüssel ins Leben gerufen. Ein Highlight unter den bisherigen Veranstaltungen war die damit geförderte weltweite Synthetic Biology Conference an der ETH Zürich vom 24. bis 26.6.2007. Eines der ersten Produktprojekte war das Mol-Switch-Project, in dem gezeigt wurde, dass biologische Molekularmotoren als Bio-Nanoaktoren genutzt werden können. Weiter hat die EU das Projekt CELLCOMPUT in die Förderung aufgenommen, in dem gezeigt wird, wie biologisches Computing (Datenverarbeitung) in Zellkommunikationsprozesse überführt werden können.

Ein weiteres EU-Projekt ist schließlich SYNBIOSAFE, das erstmals Sicherheit und ethische Aspekte der synthetischen Biologie erforscht. Die Laufzeit beider Projekte geht vom 1.1.2007 bis 31.12.2008.

Großes Rätselraten um Lebensprozesse?

Ein großes Rätsel stellt das Leben für die Wissenschaftler offenbar nicht mehr dar. Was lebensnotwendig ist, wird immer weiter eingegrenzt. Alte biologische Grenzen wurden längst verrückt, die neuen Grenzen im Genom gefunden. Was dort nicht als Gen bzw. DNA-Baustein niedergelegt wurde, kann nicht „leben“. Das Genom hat überdies keine Augen, um es paradox auszudrücken: Ob synthetischer DNA-Baustein oder auf natürlichem Wege hergestelltes Basenpaar, dies scheint den Polymerasen nicht wesentlich für die Arbeit, die sie verrichten. Auch dies zeigt, dass der Ethik in den entscheidenden, d.h. grundlegenden Lebensprozessen keineswegs eine wichtige Rolle zukommt: „Die Moral des Protoplasmas“ lautet keineswegs Sympathie. Entscheidend kommt es auf die Ernährung an. Keiner der Beteiligten auf dem Plasma-Level fragt, woher die Nahrung kommt oder wer sie erhält: Der eine nimmt, was er braucht, der andere gibt, ohne es zu wollen. In ein reales, bekanntes Szenario der Biologie der Lebewesen übersetzt: Bestimmte Fliegen-, und Vogelarten können sogar zwischen den Zähnen eines Nashorns ihre Nahrung finden, zum Vorteil des Nashorns, das eine mehr oder weniger komplette Zahnreinigung nach der Mahlzeit erhält. Doch wenn das Nashorn das Maul plötzlich schließt, ist das Insekt gefangen bzw. tot.

Konferenzen:

12. bis 17. Juli XX. International Congress of Genetics, Helmholtz-Zentrum, Berlin.

The Fourth International Meeting on Synthetic Biology, Hong Kong University of Science & Technology, 10. bis 12. Oktober 2008.

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