Seit es Wissenschaftern im Jahr 2010 erstmals geglückt ist, ein aus künstlich hergestellten DNA-Bausteinen zusammengesetztes Genom in eine lebensfähige Zelle einzupflanzen, ist in der synthetischen Biologie viel passiert. Heute wird in Laboren weltweit daran gearbeitet, den genetischen Code in Mikroorganismen gezielt zu verändern, um neuartige Biomoleküle herzustellen, die etwa für die Medizin von Interesse sein könnten.

Dabei ist Forschern um Jason Chin vom Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology in Cambridge nun ein wichtiger Schritt gelungen: Sie haben Kolibakterien (Escherichia coli) mit völlig neuen Eigenschaften erzeugt. Die Mikroben verfügen über ein erweitertes Arsenal an Aminosäuren, die neue Möglichkeiten zur Herstellung synthetischer Moleküle bieten. Und nicht nur das: Die designten Bakterien sind auch gegen Virusinfektionen immun, wie die Wissenschafter im Fachblatt "Science" berichten.

Eingriff in den DNA-Code

Ob Mensch oder Mikrobe, im Prinzip nutzen alle Lebewesen dieselben 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren zum Bau ihrer Proteine. Welche Aminosäure eingebaut wird, bestimmt der DNA-Code. Er besteht aus Kombinationen von je drei der vier DNA-Buchstaben A, T, G und C. Diese Dreiercodes bilden sogenannte Codons, die in der Zelle in Proteinbausteine übersetzt werden. Aus den vier verschiedenen DNA-Buchstaben lassen sich aber insgesamt 64 Dreiercodes bilden, weshalb für viele der 20 Aminosäuren gleich mehrere Codons existieren: Die Kombinationen TCG, TCA, AGC und AGT codieren etwa alle die Aminosäure Serin.

Es gibt aber auch Codons, die in der Zelle nicht in eine Aminosäure übersetzt werden, sondern etwas anderes bewirken: Sie führen zum Abbruch der Translation. Seit längerem setzten Wissenschafter bei diesen sogenannten Stopcodons an, um damit künstliche Aminosäuren zu codieren und so neue Moleküle herzustellen. Das funktioniert, ist aber aufwendig und ließ bisher nur einen Baustein pro Protein ändern.

Bakterielle Buchstabensuppe

Chin und Kollegen ist nun in gentechnisch veränderten Kolibakterien gelungen, mehrere der Codons, die für Serin codieren, umzuwidmen und auf diese Weise gleich drei künstliche Aminosäuren einzubauen. "Diese Bakterien könnten als erneuerbare und programmierbare Fabriken genutzt werden, um eine Vielzahl neuer Moleküle mit neuartigen Eigenschaften herzustellen", sagte Chin. Denkbar wäre etwa die Entwicklung neuer Wirkstoffe für die Behandlung von Krebs oder die Produktion neuer Antibiotika. Die Herstellung synthetischer Polymere ist aber auch für die Materialforschung interessant und könnte etwa die Entwicklung biologisch abbaubarer Kunststoffe ermöglichen.

Der Weg zum aktuellen Durchbruch war freilich nicht ganz unkompliziert. Die Studie baut auf früheren bahnbrechenden Arbeiten von Chin und Kollegen auf, in denen sie mithilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas9 insgesamt 18.000 Buchstabenkombinationen im Genom von Kolibakterien ausgetauscht haben. Der so entstandene künstliche Bakterienstamm Syn61 beinhaltet das bis dahin größte synthetische Genom. "Ich bin sehr beeindruckt", sagte der Molekularbiologe Chang Liu von der University of California, Irvine, der selbst nicht in die Arbeit involviert war, zu "Science News". Für ihn stellt die aktuelle Studie einen Meilenstein dar – auch aus einem weiteren Grund: Die modifizierten Syn61-Bakterien können nicht von Viren infiziert werden.

Auch Bakterien sind grundsätzlich nicht vor viralen Infektionen gefeit, sogenannte Bakteriophagen sind auf bakterielle Wirtszellen spezialisiert. Die künstlichen Änderungen an mehreren Codons in den designten Kolibakterien führen aber dazu, dass die Viren die Bakterienzellen nicht mehr für ihre Reproduktion kapern können – die Herstellung viraler Proteine ist unterbrochen. Das sei für die Herstellung von Pharmazeutika sehr bedeutsam, sagte Chin: "Wenn Viren in Bakterien gelangen, die zur Produktion von Medikamenten verwendet werden, kann das die gesamte Charge zerstören. Unsere modifizierten Bakterien haben dieses Problem überwunden – sie sind vollständig resistent gegen virale Infektionen." (David Rennert, 7.6.2021)