Schema zum Ersetzen des genetischen Codes eines Proteinfragments vom natürlichen Typ zum "umcodierten".
Biologen von Harvard, MIT und mehreren anderen amerikanischen Institutionen sprachen über die Arbeit an einem genomweiten Ersatz des genetischen Codes in E. coli. Langfristig soll so ein spezielles „künstliches“Bakterium entstehen, das sich außerhalb des Labors nicht vermehren kann und gleichzeitig gegen alle existierenden Viren vollkommen resistent ist. Die Arbeit der von George Church geleiteten Gruppe ist noch lange nicht abgeschlossen, wurde aber bereits in Science veröffentlicht.
Der genetische Code bestimmt die Entsprechung zwischen der Sequenz von Nukleotiden in Genen und den Aminosäuren, aus denen auf Basis dieser Gene Proteine aufgebaut werden. Alle drei Nukleotide (Codon) kodieren für eine Aminosäure. Da es 64 Varianten von Nukleotidtripletts gibt und es nur 20 basische Aminosäuren in Proteinen gibt, sind viele der Codons synonym, dh sie kodieren für dieselbe Aminosäure.
Die Idee der Autoren war es, einige (meist seltene) Codons durch ihre Synonyme zu ersetzen, und dies im gesamten Genom eines ausgewachsenen Bakteriums. Ein solches Bakterium hätte einige interessante Eigenschaften. Bei einer ausreichend großen Anzahl von weggeworfenen Codons (mindestens mehr als drei) wäre es beispielsweise vollständig resistent gegen eventuell vorhandene Viren, da die darin enthaltene virale Erbinformation einfach „unlesbar“würde. Dementsprechend wäre es nicht in der Lage, nützliche, aber nicht „angepasste“genetische Informationen aus der äußeren Umgebung (Gene für Antibiotikaresistenzen etc.) zu erhalten, die für biotechnologische Anwendungen wichtig sind. Darüber hinaus können künstliche, nicht natürlich vorkommende Aminosäuren und chemische Gruppen in die Proteine solcher Bakterien eingeführt werden, beispielsweise für die Synthese einiger neuer Medikamente oder Industriesubstanzen. Darüber hinaus kann dies mit molekularbiologischen Standardmethoden erfolgen, ohne das System jedes Mal neu zu entwickeln.
Die Schwierigkeit bei der Herstellung eines solchen Bakteriums liegt darin, dass es notwendig ist, die ausgewählten DNA-Tripletts im gesamten Genom zu ersetzen, und dies sollte nicht für ein Gen, sondern für das gesamte Genom erfolgen. Zuvor waren bereits ähnliche Arbeiten zum Ersetzen von Codons durchgeführt worden (auch von Churchs Gruppe - Wissenschaftler entfernten eines der Stop-Codons aus dem E. coli-Genom), aber ihr Umfang war viel kleiner. Geht es jedoch, wie in dieser Arbeit geplant, um den Austausch von sieben Codons im gesamten Genom, erfordert dies nicht nur die Einführung sehr vieler Veränderungen (148955 Nukleotid-Substitutionen), sondern droht auch die Entstehung einer Vielzahl von unvorhergesehene negative effekte, die bei der arbeit nur mit einem stopp, es gibt keine codons.
Die Arbeiten wurden wie folgt durchgeführt. Wissenschaftler haben sieben ausreichend seltene Codons ausgewählt, die zusammen mit der sie erkennenden tRNA entfernt werden könnten. Anschließend erstellten die Autoren ein Programm, das es erlaubt, basierend auf der bekannten Genomsequenz (verwendet wurde eine minimierte, "gereinigte" Version des E. coli-Genoms) die ausgeworfenen Codons durch ihre Synonyme zu ersetzen.
Bei der Wahl eines Ersatzes wurden viele Faktoren berücksichtigt, die die Lebensfähigkeit des Organismus potenziell beeinträchtigen könnten: Wissenschaftler versuchten, die wichtigen Eigenschaften der ursprünglichen DNA vorherzusagen und maximal zu erhalten. Zum Beispiel korrigierte das Programm den Anteil der GC-Nukleotide (es beeinflusst die mechanische Steifigkeit der DNA und vieles mehr), bewahrte die Ribosomeneintrittsstellen und die Stellen in der Boten-RNA, an denen sie eine Sekundärstruktur bildet.
Wachstumsrate von Bakterien mit teilweise ersetztem Genom. Es werden Stämme mit getrennten synthetischen Segmenten angezeigt: Je höher der Punkt, desto „gebrochener“ist das Segment.
Als Ergebnis produzierte das Programm mehrere Tausend bearbeitete Fragmente, die bereits chemisch zu Ketten mit einer Länge von 2-4 Tausend Basen synthetisiert worden waren. Diese Fragmente wurden in Hefe eingebracht, wo 55 große Segmente des neuen Genoms durch Rekombination daraus zusammengesetzt wurden. Jedes der großen Segmente wurde dann einzeln in „normalen“Escherichia coli getestet – Wissenschaftler überprüften, wie sehr sich das Bakterienwachstum verlangsamt, wenn ein natürliches Genomstück durch ein synthetisches mit verändertem genetischen Code ersetzt wird. Zudem war die Effektivität von Computervorhersagen erwartungsgemäß teilweise ungenügend: Viele Segmente „funktionierten“in Bakterien durch den Ersatz wichtiger Bereiche, die in silico nicht zu finden waren. Wir mussten mit ihnen „manuell“arbeiten.
Als Ergebnis haben Wissenschaftler zum Zeitpunkt der Veröffentlichung 63 Prozent des synthetischen Genoms (es hieß rE.coli-57) auf Funktionsfähigkeit überprüft und 91 Prozent der getesteten Gene behielten ihre Funktionsfähigkeit. Die Arbeiten am synthetischen Genom sind jedoch noch nicht abgeschlossen (möglicherweise aufgrund finanzieller Schwierigkeiten). Die Gesamtkosten des Projekts schätzen die Autoren auf eine Million Dollar.
Die Verbesserung natürlicher Mikroorganismen auf tiefer molekularbiologischer Ebene gehört zur synthetischen Biologie und geht mittlerweile auf unterschiedliche Weise vor sich. Neben dem Austausch von Codons (was Ende der 1980er Jahre mit der Arbeit von Schultz begann) versuchen Wissenschaftler beispielsweise, neue, vollsynthetische Basenpaare in das Genom einzufügen, die die Informationskapazität der DNA erweitern und den Platz von der genetische Code. Ein anderer Weg ist beispielsweise das Craig Venter Institute, das kürzlich über die Entstehung eines Bakteriums mit einem vollsynthetischen Minimalgenom berichtete. Mehr zu dieser Arbeit können Sie hier lesen.
