Zumindest seit der letzte gemeinsame Vorfahr aller Lebewesen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde erschien, werden genetische Informationen in einem aus vier Buchstaben bestehenden Alphabet gespeichert, das in Form von zwei Basenpaaren verteilt und gelesen wird. Dies sind vier Stickstoff-Kohlenstoff-Wasserstoff-Basen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung binden sie in einer strengen Reihenfolge an Basenpaare, die keine Optionen zulässt: nur AT und C-G. In einem solchen quaternären System ist alles Leben auf der Erde verschlüsselt.
Das Hauptziel der synthetischen Biologie als Wissenschaft ist die Schaffung neuer Lebensformen und neuer Funktionen in bestehenden Organismen. Der logische Weg, um dieses Ziel zu erreichen, ist die Entwicklung halbsynthetischer Organismen mit einem erweiterten Satz von Basenpaaren. Zusätzlich zu den vier Basen der Wildtiere können sie ein Paar synthetischer Basen enthalten, die ein drittes künstliches Basenpaar bilden: XY.
Frühere Versuche, einen solchen halbsynthetischen Organismus herzustellen,
erreichten 2016 ihren Höhepunkt . Dann gelang es den Genetikern, einen Stamm von
Escherichia coli zu entwickeln , der die notwendigen synthetischen Triphosphate aus der Umwelt extrahierte und sie zur Replikation von Plasmiden mit einer synthetischen Base verwendete. Dies war der erste Fall der Replikation von halbsynthetischer DNA, aber ein solcher halbsynthetischer Organismus war noch nicht vollständig. Das einfache Speichern und Übertragen des synthetischen Basenpaars reicht nicht aus. Um nützlich zu sein, muss es voll funktionsfähig sein, dh Proteine letztendlich durch RNA exprimieren können. Und dies werden Proteine sein, die keine natürliche Lebensform im quaternären System erzeugen kann.
Jetzt sind Biologen vom Scripps Research Institute noch weiter gegangen. Sie
schufen ein vollwertiges halbsynthetisches Bakterium (siehe Abbildung oben), das das künstliche Basenpaar mit zwei synthetischen Codons und tRNA mit verwandten synthetischen Anticodons in mRNA umwandelt - und diese effizient im Ribosom decodiert, um natürliche oder nicht-kanonische Aminosäuren in das fluoreszierende Protein „Superfolder GFP“ einzubauen ( sfGFP).
In diesem Fall wurde sfGFP lediglich zur Demonstration verwendet, es ist ein traditioneller Marker, der in der Genforschung verwendet wird. Theoretisch kann ein Bakterium andere Aminosäuren codieren.
"Dies ist die kleinste Änderung, die wir am Mechanismus der Naturarbeit vornehmen könnten - aber dies ist das erste Mal", kommentierte Professor Floyd Romesberg vom Scripps Research Institute, einem führenden Autor wissenschaftlicher Arbeiten.
Die chemische Struktur von synthetischen und natürlichen Basenpaaren ist oben in Abbildung (a) dargestellt. Das Folgende ist eine schematische Darstellung einer Genkassette, die zur Expression halbsynthetischer Sequenzen verwendet wird. In den Graphen c bzw. d sind Fluoreszenz und Wachstum von Zellen, die sfGFP und semisynthetische tRNA exprimieren, vorhanden. Schließlich ist unten links ein Western Blot von Lysaten zu sehen, der aus der letzten Generation dieser Zellen erhalten wurde, der an den äußersten rechten Markierungen der Graphen c und d gezeigt ist, und die relative Häufigkeit der Aminosäuren S, I / L und N aus halbsynthetischen Zellen ist rechts gezeigtLaut Wissenschaftlern zeigen die erhaltenen Ergebnisse, dass andere Prozesse als die Wasserstoffbindung an jedem Schritt der Speicherung und Extraktion genetischer Informationen teilnehmen können. Es stellte sich heraus, dass das Fehlen von Wasserstoffbrückenbindungen in den Basenpaaren die Zellen nicht wirklich stört: Die Vermehrung von halbsynthetischer DNA erfolgt immer noch sehr erfolgreich.
Mit anderen Worten, das Leben um uns herum ist höchstwahrscheinlich nicht das einzige, das aus chemischer Sicht möglich ist. Es ist einfach so passiert, dass alles Leben auf der Erde genau aus einer solchen einzigen Probe gebildet wird, aber es ist überhaupt nicht einzigartig.
Somit ist der resultierende halbsynthetische Organismus gleichzeitig in der Lage, zusätzliche genetische Informationen zu codieren und zur Verwendung zu extrahieren. „Ich würde es nicht als neue Lebensform bezeichnen“, sagt Romsberg, „aber es kommt einer neuen Lebensform am nächsten, die jemals jemand geschafft hat. Zum ersten Mal sendete eine Zelle ein Protein mit etwas anderem als G, C, A oder T. “
Die vier natürlichen DNA-Basen können nur 20 Aminosäuren codieren, sodass alle Lebensformen auf der Erde ausschließlich auf diese Proteine beschränkt sind. Mit dem dritten Basenpaar - synthetisch - kann der Körper bis zu 152 neue Aminosäuren codieren.
Laut Forschern sollte dieser Organismus als Plattform für die Schaffung neuer Lebensformen und -funktionen dienen. Theoretisch können neue Lebensformen, die im hexadezimalen System existieren, völlig neue Möglichkeiten in der Medizin und Pharmakologie eröffnen und bei der Schaffung neuer Medikamente helfen.
Synthorx, Inc., ein amerikanisches Unternehmen, ist auf die Suche nach neuen Arzneimitteln mit dem synthetischen Basenpaar X und Y spezialisiert
Wissenschaftler stellen fest, dass die von ihnen erzeugte und ähnliche semisynthetische Lebensform nicht außerhalb der Wände des Labors leben kann, da für die Reproduktion der X- und Y-Basen in der Lösung die entsprechenden Chemikalien vorhanden sein müssen.
Der wissenschaftliche Artikel wurde am 30. November 2017 in der Zeitschrift
Nature (doi: 10.1038 / nature24659,
pdf ) veröffentlicht.