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Wissen & Umwelt

Premiere im Labor: Forscher erzeugen künstliches Chromosom

Forschern ist es gelungen, ein komplettes Chromosom im Reagenzglas nachzubauen. Ein Meilenstein der synthetischen Biologie - denn genetisch gesehen ist Hefe dem Menschen wohl ähnlicher als erwartet.

Chromosom der Hefe (Grafik: Lucy Reading - Ikkanda).

Das nachgebaute Hefe-Chromosom: Gelbe Abschnitte kennzeichnen gelöschte Stellen, die Stecknadeln zeigen, wo die Forscher Änderungen am Erbgut vorgenommen haben

Ein internationales Forscherteam hat erstmals ein Chromosom eines Lebewesens mit Zellkern im Labor hergestellt. Am Donnerstag (27.03.2014) wurde die

Studie in der Zeitschrift "Science"

veröffentlicht. Das erste künstliche Hefe-Chromosom trägt die Nummer drei und ist nur eines von 16. Es besteht aus 270.000 genetischen Buchstaben und soll der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) neue Fähigkeiten verleihen.

Hefewürfel (Foto: Fotolia/Quade).

Bäckerhefe: Enger verwandt mit uns Menschen als gedacht

Bäckerhefe ist ein Verwandter des Menschen

Mit dieser Hefe könnte man auch Brot backen, Wein herstellen oder Bier brauen. Aber dafür wäre sie zu kostbar. Denn die Hefe von der John Hopkins-University in Baltimore besitzt ein Chromosom, das vollständig im Labor zusammen gesetzt wurde. Zwei Dutzend Wissenschaftler und über 60 Studenten haben etwa vier Jahre lang daran gearbeitet.

Die Wahl des Projektgründers

Jef Boeke

fiel auf die Hefe, weil ihr Erbgut ähnlich aufgebaut ist wie das höherer Organismen. Die Hefe ist zwar ein einzelliger Pilz - also ein Mikroorganismus -, aber als sogenannter Eukaryot besitzt sie wie Pflanzen, Tiere oder Menschen einen Zellkern. Genetisch gesehen ist Hefe mit dem Menschen enger verwandt als mit den Bakterien. Das Chromosom Nummer drei ist zwar kleiner als alle menschlichen Chromosomen, aber vom Prinzip her genauso aufgebaut.

Vorläufer war das künstliche Bakterium

Im Mai 2010 präsentierte der streitbare Biowissenschaftler Craig Venter der Welt zum ersten Mal einen Organismus, dessen Erbmaterial vollständig im Labor zusammen gebaut wurde. Es handelte sich um ein kleines Bakterium namens Mycoplasma. Das war zwar ein Durchbruch für die synthetische Biologie, aber für die Biotechnologie war das winzige Bakterium uninteressant und wurde nur ausgewählt, weil sein Erbgut eines der kleinsten überhaupt ist. Etwa zur gleichen Zeit begann Jef Boeke damit, sein Hefe-Konsortium aufzubauen.

Hefen als kleine Biochemiefabriken

Für viele Wissenschaftler ist das Hefeprojekt schon deshalb wichtiger als das Bakterium von Craig Venter, weil die Hefe für die Biotechnologie von enormer Bedeutung ist. So produzieren Hefezellen in großen Edelstahlfermentern - einer Art Reaktor - bereits Medikamente wie den Anti-Malaria-Wirkstoff Artemisinin, oder einen Impfstoff gegen Hepatitis. Auch Süßstoffe, Nahrungsergänzungsmittel oder Kosmetika werden bereits heute von gentechnisch veränderter Bäckerhefe hergestellt.

Das große Zukunftsprojekt der Branche ist die Herstellung von Biosprit aus Pflanzenmaterial. Dabei soll die Hefe keineswegs nur Zucker in Alkohol verwandeln, sondern schwer verdauliche Pflanzenfasern aus Zellulose sollen direkt in Biodiesel oder Kerosin umgewandelt werden. Noch ist der Biosprit aus Hefe nicht konkurrenzfähig, aber langfristig winkt hier ein Milliardenmarkt.

Designer-Chromosom statt Kopie

Künstliches Hefe-Chromosom (Grafik: Lucy Reading - Ikkanda/Science/dpa).

Was hier ganz anschaulich aussieht: Im Kunstchromosom nahmen die Wissenschaftler etliche Änderungen vor

Mit Blick auf die Biotechnologie hat Jef Boeke von Anfang an geplant, das Hefe-Erbgut nicht einfach zu kopieren - er wollte eine überarbeitete Version des natürlichen Erbguts anfertigen. Deshalb fehlen dem ersten synthetischen Chromosom einige Bereiche, die eine Hefe im Fermenter nicht braucht. Die Forscher verfolgen das Ziel, eine Superhefe für den Fermenter zu entwickeln, die aber außerhalb von Labors und Biotechnologieanlagen nicht lebensfähig ist. Außerdem soll sie eine Art Grundgerüst für verschiedene gentechnische Weiterentwicklungen sein. An das künstlich zusammen gebaute Erbmaterial sollen sich verschiedene Gene aus Pflanzen oder Tieren koppeln lassen. Jef Boeke bezeichnet seine Konstruktion deshalb als Designer-Chromosom.

Genetik als Kartenspiel

Damit das künstliche Chromosom sich einfach und schnell verändern lässt, haben Jef Boeke und Kollegen besondere Erkennungssequenzen in das Erbmaterial eingefügt. Sie flankierten 98 wichtige Gene. Mit ihrer Hilfe können die Erbinformationen jetzt immer wieder neu gemischt werden wie ein Kartenspiel. Wenn das Genom, also das Erbgut, der Hefe fertig zusammengebaut ist, sollen 5000 solche Erkennungssequenzen eingeführt werden. Durch ständiges Mischen könnte eine Art Evolution im Zeitraffer ablaufen. Das Erbmaterial wird dabei so lange verändert bis alles passt.

Porträt Jef Boeke, Director of Institut für Systemgenetik am New York University Langone Medical Center (Foto: NYU Langone Medical Center).

Jef Boeke bezeichnet seine Konstruktion als Designer-Chromosom

15 Chromosomen in Arbeit

Der Bau des künstlichen Hefe-Chromosoms Nummer drei ist allerdings nur ein Anfang. Bis ein vollständiges Hefe-Erbgut fertig ist, müssen noch 15 weitere Hefechromosomen im Labor zusammen gebaut werden. Das sind 20 Millionen Erbgut-Bausteine. Das Chromosom Nummer drei macht gerade einmal 1,5 Prozent des gesamten Hefe-Erbguts aus. Da stehen noch mindestens vier oder fünf Jahre Arbeit bevor. Und mit der Hefe hat die synthetische Biologie ihr Ziel natürlich noch nicht erreicht.

Nach der Hefe kommt der Mensch

Ein Mensch oder andere Säugetiere besitzt etwa 150 Mal so viel Erbinformation wie die Bäckerhefe. Das Prinzip der gespeicherten Erbinformation aber ist das gleiche. Wer drei Milliarden genetische Bausteine richtig zusammen fügt und daraus Chromosomen bauen kann, kann auch einen Menschlichen Bauplan im Labor erstellen oder abwandeln - zum Beispiel zu einem lebenden Neandertaler. Das ist vorerst natürlich nicht geplant. Aber ein Elefant, der durch einen genetischen Nachbau und Umbau zu einem Mammut wird, gehört durchaus zu den Vision, die in Wissenschaftlerkreisen gerne diskutiert werden.

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