Schon seit Jahrtausenden setzen Menschen den Hefepilz Saccharomyces cerevisiae ein, um Brot zu backen, Bier zu brauen oder Saft zu Wein zu vergären. In der modernen Biotechnologie dient die Hefe heute zudem dazu, Kraftstoffe, Arzneimittel oder Duftstoffe herzustellen, und in der medizinischen Forschung ist sie ein verbreiteter Modellorganismus. Ihr Genom ist daher gut bekannt und wurde zumindest in Teilen schon vielfach modifiziert.
Variationen des natürlichen Vorbilds
Ein Team um Yu Zhao von der New York University hat nun erstmals einen Hefestamm erzeugt, dessen Genom zu mehr als der Hälfte synthetisch ist. Die Forschungen sind Teil des internationalen Großforschungsprojekts Synthetic Yeast Genome Project, das daran arbeitet, eine vollständig synthetische Hefe zu entwickeln. Während die Genome einiger Viren und Bakterien bereits vollständig synthetisiert wurden, wäre die Hefe der erste Eukaryot mit Designer-Genom.
Um tatsächlich etwas Neues zu schaffen, bauten die Forschenden die natürlichen Chromosomen nicht einfach nach, sondern variierten sie. Zahlreiche nicht-codierende Bereiche ließen sie weg und fügten stattdessen neue DNA-Abschnitte hinzu. Sämtliche Bereiche, die für sogenannte transfer-RNAs codierten, die zum Zusammenbau neuer Proteine benötigt werden, entfernten die Forschenden von den ursprünglichen Chromosomen und lagerten sie auf ein vollständig neues Chromosom aus, dem sie den Namen tRNA-Neochromosom gaben. „Das tRNA-Neochromosom ist das weltweit erste vollständig synthetisch hergestellte Chromosom“, sagt Co-Autor Yizhi Cai von der University of Manchester. „So etwas gibt es in der Natur nicht.“
Synthetische Chromosomen eingekreuzt
Auf dem Weg zu einer vollständig synthetischen Hefe synthetisierte das Team künstliche Varianten von allen sechzehn Chromosomen der Hefe im Labor und fügte sie jeweils einzeln in einen Hefestamm ein, bei dem die übrigen 15 Chromosomen natürlichen Ursprungs waren. Durch Versuch und Irrtum fanden sie heraus, welche Varianten jeweils einen lebensfähigen Organismus ermöglichten. „Unsere Motivation ist, die grundlegenden Prinzipien des Genoms zu verstehen, indem wie synthetische Genome bauen“, erklärt Cai.
Die funktionierenden Stämme mit jeweils einem synthetischen Chromosom kreuzten die Forschenden miteinander und selektierten die Nachkommen mit mehreren synthetischen Chromosomen. Diese kreuzten sie weiter miteinander, bis sie sechs vollständige synthetische Chromosomen und einen Chromosomenarm in einem einzigen Stamm kombiniert hatten. Das größte aller synthetischen Chromosomen fügten sie anschließend mit einer neu entwickelten Methode namens Chromosomen-Substitution ein. Das Erbgut des auf diese Weise geschaffenen Stamms ist zu mehr als 50 Prozent synthetisch.
