Genetische Codetabelle, die die Entsprechung von Drei-Buchstaben-Codons in der DNA zu Aminosäuren zeigt
Biologen haben einen Escherichia coli-Stamm geschaffen, dessen Genom komplett neu synthetisiert wurde. Gleichzeitig wurden in ihrem Genom drei Codons vollständig durch synonyme ersetzt, wodurch der genetische Code von 64 auf 61 Positionen reduziert wurde. Wenn das Genom des ersten Organismus mit einem synthetischen Genom „nur“eine Million Basenpaare enthielt, wurde diese Zahl diesmal viermal überschritten, so die Autoren des Artikels in Nature.
2010 gab das Team von Craig Venter die Schaffung des ersten Organismus mit einem vollsynthetischen Genom bekannt. Der Organismus war ein Stamm des Bakteriums Mycoplasma mycoides, der durch Einbringen eines vollständig in vitro synthetisierten Chromosoms in die Empfängerzelle erhalten wurde. Das synthetische Chromosom hatte etwas mehr als eine Million Basenpaare. Nach diesem Experiment konnten Biologen auch mehrere künstliche Hefechromosomen vergleichbarer Größe synthetisieren und zusammenbauen.
Ein Team von Wissenschaftlern des Cambridge Molecular Biology Laboratory unter der Leitung von Thomas Elliott und Jason Chin hat einen E. coli-Stamm mit einem neu synthetisierten Chromosom von 4 Millionen Basenpaaren geschaffen. Dank der Fähigkeit von E. coli, DNA mit hoher Effizienz zu rekombinieren, war es möglich, ein so riesiges Genom nur in Teilen direkt in den Zellen des "Wirts" zusammenzusetzen.
Um die Fragmente zu synthetisieren und zusammenzusetzen, wurde das Genom des E. coli-Stamms MDS42 in 37 überlappende Fragmente von jeweils knapp über 100.000 Basenpaaren Größe aufgespalten. Jedes solche Stück wurde aus kleineren Stücken durch Rekombination in Hefezellen zusammengesetzt (genau wie es in Venters Arbeit gemacht wurde). Die resultierenden synthetischen Fragmente wurden als Plasmide in MDS42-Zellen eingeführt und zwangen die Wirtszellen unter Verwendung eines modifizierten REXER-Verfahrens basierend auf homologer Rekombination, ein Fragment ihres Chromosoms gegen ein synthetisches Fragment auszutauschen.
Schema des sequentiellen Austauschs des eigenen Chromosoms von E. coli (grau) durch ein synthetisches (rosa)
Nach mehreren Rekombinationsrunden erhielten die Wissenschaftler sieben verschiedene Stämme, die sieben große Teile des synthetischen Chromosoms als Teil ihres Genoms enthielten. Dann wurde in den Zellen der Konjugationsprozess induziert - ein Analogon des Sexualprozesses bei Bakterien, bei dem der Austausch genetischer Informationen möglich ist. Dies ermöglichte es den Forschern, getrennte Fragmente des synthetischen Chromosoms nacheinander in einem einzigen Stamm zu kombinieren. Der resultierende "synthetische" E. coli-Stamm wurde Syn61 genannt.
Wie von den Autoren konzipiert, war sein Hauptunterscheidungsmerkmal ein nicht standardmäßiger genetischer Code. Während der Synthese von Teilen des Genoms wurden die TCG- und TCA-Codons, die für die Aminosäure Serin kodieren, aus dem genetischen Code ausgeschlossen und durch synonyme Codons ersetzt, die ebenfalls für Serin kodieren. Möglich wurde dies durch die Degeneration des genetischen Codes - da jede Aminosäure einem Codon aus drei Buchstaben entspricht und es nur vier Buchstaben gibt, werden 20 Aminosäuren mit 64 Codons codiert (dazu gehören auch drei Stoppcodons, die das Ende von die Proteinsequenz). Für Serin werden bis zu sechs Codons zugewiesen.
Schema des Codon-Ersatzes im Syn61-Genom
Zusätzlich zu den zusätzlichen Serin-Codons entfernten die Wissenschaftler eines der Stop-Codons aus dem E. coli-Code – alle TAG-Codons wurden durch TAA ersetzt. Der genetische Code des Organismus Syn61 besteht also aus 61 statt 64 Codons.
Insgesamt wurden 18214 Codons im synthetischen Chromosom ersetzt. Bisher gelang es den Forschern, durch Rekombination mit mutierten Oligonukleotiden eines der Stop-Codons aus dem Code auszuschließen, dafür mussten sie jedoch maximal 321 Codons verändern.
Tests haben gezeigt, dass sich der Stamm Syn61 recht gut entwickelt und nur 1,6-mal langsamer wächst als der Stamm MDS42. Wie sich herausstellte, machte die Veränderung des genetischen Codes einige Gene überflüssig, zum Beispiel das Gen für eine der tRNAs für Serin, das früher für E. coli lebenswichtig war.
Wie die Forscher erklären, zeigt diese Arbeit die grundsätzliche Möglichkeit der Existenz von Leben mit einem verkürzten genetischen Code. Darüber hinaus bringen bewährte Genom-Assembly-Technologien Wissenschaftler näher an die Schaffung von Organismen mit gewünschten Eigenschaften, die beispielsweise nicht natürlich vorkommende Aminosäuren in Proteinen enthalten. Wir haben bereits über ähnliche Experimente gesprochen, bei denen Bakterien gezwungen wurden, neue Proteine zu synthetisieren, indem sie im Gegenteil den genetischen Code erweiterten, indem sie neue Buchstaben in das genetische Alphabet einfügten.
