Das erste vom Computer entwickelte Bakteriengenom

Caulobacter crescentus - ein sicheres Bakterium, das weltweit in Süßwasser lebt

Alle bekannten Genome von Organismen werden in einer Datenbank gespeichert, die dem National Center for Biotechnological Information in den USA gehört. Jetzt hat die Datenbank einen Eintrag: Caulobacter ethensis-2.0 . Dies ist das weltweit erste vollständig computergesteuerte Genom lebender Organismen, das von Wissenschaftlern der ETH Zürich entwickelt wurde . Es muss betont werden, dass, obwohl das Caulobacter ethensis-2.0- Genom physikalisch in Form eines sehr großen DNA-Moleküls erhalten wurde, der entsprechende Organismus noch nicht existiert.

Caulobacter ethensis-2.0 basiert auf dem Genom des gut untersuchten und sicheren Süßwasserbakteriums Caulobacter crescentus , das natürlicherweise in Quellwasser, Flüssen und Seen auf der ganzen Welt vorkommt. Es verursacht keine Krankheit. Caulobacter crescentus ist auch ein Modellorganismus, der üblicherweise in Forschungslabors zur Untersuchung des Bakterienlebens verwendet wird. Das Genom dieses Bakteriums enthält 4000 Gene. Wissenschaftler haben zuvor gezeigt, dass nur etwa 680 dieser Gene für das Überleben von Bakterien im Labor entscheidend sind.

Beat Kristen, Professor für experimentelle Systembiologie an der ETH Zürich, und sein Bruder Matthias Kristen, Chemiker an der ETH Zürich, nahmen das minimale Caulobacter crescentus- Genom als Basis. Sie wollten dieses Genom chemisch von Grund auf als kontinuierliches Ringchromosom synthetisieren. Diese Aufgabe wird als sehr schwierig angesehen: Ein chemisch synthetisiertes Bakteriengenom, das vor 11 Jahren vom amerikanischen Pionier der Genetik Craig Venter eingeführt wurde , war das Ergebnis von 10 Jahren Arbeit von 20 Wissenschaftlern. Sie sagen, dass das Projekt 40 Millionen Dollar gekostet hat.

Optimieren Sie den Montageprozess

Während die Venter-Gruppe eine exakte Kopie des natürlichen Genoms anfertigte, veränderten Wissenschaftler der ETH Zürich das Genom mithilfe eines Computeralgorithmus radikal. Ihre Motivation war zweifach: eine, um die Synthese von Genomen zu erleichtern, und die zweite, um grundlegende Probleme der Biologie zu lösen.

Um ein DNA-Molekül von der Größe eines Bakteriengens zu erzeugen, müssen Wissenschaftler Schritt für Schritt handeln. Im Fall des Caulobacter- Genoms synthetisierten Wissenschaftler der ETH Zürich 236 Fragmente des Genoms, die sie anschließend nähten. „Die Synthese dieser Fragmente ist nicht immer einfach“, erklärt Matthias Kristen. „DNA-Moleküle können nicht nur an anderen DNA-Molekülen haften, sondern können sich je nach Sequenz auch zu Schleifen und Knoten verdrehen, was den Synthesevorgang erschweren oder unmöglich machen kann“, erklärt Mathias Kristen.

Vereinfachte Genome

Um Genomfragmente auf einfachste Weise zu synthetisieren und dann alle Fragmente auf die korrekteste Weise zusammenzusetzen, haben Wissenschaftler die Sequenz des Genoms radikal vereinfacht, ohne die tatsächliche genetische Information (auf Proteinebene) zu ändern. Es gibt viele Möglichkeiten, das Genom zu vereinfachen, da die Biologie Reserven zur Speicherung genetischer Informationen eingebaut hat. Beispielsweise haben viele Aminosäuren zwei, vier oder mehr Möglichkeiten, ihre Informationen in DNA zu schreiben.

Ein von Wissenschaftlern der ETH Zürich entwickelter Algorithmus nutzt diese Redundanz des genetischen Codes optimal aus. Mit diesem Algorithmus berechneten sie die wirtschaftlichste DNA-Sequenz, um das Genom zu synthetisieren und zu konstruieren, das sie in ihrer Arbeit verwendeten.



In-vitro-Genom von Caulobacter ethensis-2.0

Infolgedessen haben Wissenschaftler viele kleine Änderungen am Minimalgenom vorgenommen, was jedoch beeindruckend ist: Mehr als ein Sechstel der 800.000 DNA-Buchstaben im künstlichen Genom wurden im Vergleich zum „natürlichen“ Minimalgenom ersetzt. „Dank unseres Algorithmus haben wir unser Genom vollständig in eine neue DNA-Buchstabensequenz umgeschrieben, die nicht mehr der ursprünglichen Sequenz ähnelt. Die biologische Funktion auf Proteinebene ist jedoch erhalten geblieben “, sagt Beat Kristen.

Lackmustest in der Genetik

Das umgeschriebene Gen ist auch aus biologischer Sicht interessant. „Unsere Methode ist ein Lackmustest, um festzustellen, ob wir Biologen die Genetik richtig verstehen, und um mögliche Wissenslücken aufzuzeigen“, erklärt Beat Kristen. Natürlich kann das transkribierte Genom nur Informationen enthalten, die die Forscher wirklich verstanden haben. Mögliche „versteckte“ zusätzliche Informationen, die sich in der DNA-Sequenz befinden und von Wissenschaftlern noch nicht verstanden wurden, würden bei der Synthese des neuen Codes verloren gehen.

Wissenschaftler haben Bakterienstämme gezüchtet, die sowohl das natürliche Caulobacter- Genom als auch Fragmente des neuen künstlichen Genoms enthalten. Durch die Deaktivierung einiger natürlicher Gene in diesen Bakterien konnten Wissenschaftler die Funktion künstlicher Gene testen. Sie testeten jedes der künstlichen Gene in einem mehrstufigen Prozess.

In diesen Experimenten fanden Wissenschaftler heraus, dass nur etwa 580 der 680 künstlichen Gene funktionsfähig waren. „Mit Wissen können wir unseren Algorithmus verbessern und eine voll funktionsfähige Version des Genoms 3.0 entwickeln“, sagt Beat Kristen.

Riesenpotential in der Biotechnologie

„Trotz der Tatsache, dass die aktuelle Version des Genoms noch nicht perfekt ist, zeigt unsere Arbeit, dass biologische Systeme so einfach aufgebaut sind, dass wir in Zukunft Projektspezifikationen auf einem Computer gemäß unseren Zielen entwickeln und diese dann erstellen können.“ - sagt Matias Kristen. Und dies kann auf relativ einfache Weise erreicht werden, wie Beat Kristen betont: „Was Craig Venter zehn Jahre gekostet hat, hat unsere kleine Gruppe mit unserer neuen Technologie innerhalb eines Jahres mit Kosten von nur 120.000 Schweizer Franken durchgeführt.“

„Wir glauben, dass es bald auch möglich sein wird, funktionelle Bakterienzellen mit einem solchen Genom zu produzieren“, sagt Beat Kristen. Eine solche Entwicklung wird ein großes Potenzial haben. Mögliche zukünftige Anwendungen sind synthetische Mikroorganismen, die in der Biotechnologie beispielsweise zur Synthese komplexer pharmazeutisch aktiver Moleküle oder Vitamine eingesetzt werden können. Die Technologie kann universell auf alle Mikroorganismen und nicht nur auf Caulobacter angewendet werden. Eine andere Möglichkeit wäre die Herstellung von DNA-Impfstoffen.

„Egal wie vielversprechend die Forschungsergebnisse und ihre möglichen Anwendungen sind, sie erfordern ein tiefes Verständnis der Zwecke, für die diese Technologie eingesetzt werden kann, und gleichzeitig, wie Missbrauch verhindert werden kann“, sagt Beat Kristen. Es ist noch nicht klar, wann das erste Bakterium mit einem künstlichen Genom erhalten wird, aber jetzt ist klar, dass es erhalten werden kann und sich entwickeln wird. „Wir müssen die Zeit, die wir haben, für intensive Diskussionen zwischen Wissenschaftlern und in der Gesellschaft insgesamt nutzen. Wir sind bereit, mit all unserem Know-how zu dieser Diskussion beizutragen. “