Wie weit sind wir mit der Geburt halbkünstlichen Lebens davon entfernt, „Gott“ zu werden?

Die synthetische Biologie ist eine erstaunliche Disziplin, die es uns ermöglicht, mithilfe ingenieurwissenschaftlichen Denkens völlig neue Organismen zu entwerfen und zu erschaffen. Nun ist es Wissenschaftlern gelungen, alle 16 Chromosomen der Hefe zu synthetisieren und die Hälfte davon in eine einzige Zelle zu platzieren, wodurch eine halbkünstliche Hefe entstand. Sie entwarfen außerdem ein neues Chromosom für die Hefe, um ihr Genom stabiler zu machen und gleichzeitig ihre volle Funktionalität sicherzustellen.

Diese Erfolge sind ein Meilenstein in der synthetischen Biologie und ein großer Schritt vorwärts für die Menschheit in Richtung vollständig künstlich synthetisierter eukaryotischer Zellen.

Geschrieben von Gu Shuchen

Am 8. November 2023 widmeten sich die renommierten Fachzeitschriften Cell, Molecular Cell und Cell Genomics demselben Thema und veröffentlichten auf einen Schlag zehn Forschungsarbeiten, in denen sie das internationale Kooperationsprojekt „Artificial Synthetic Yeast Genome Project“ (Sc2.0) vorstellten. Dieser Satz an Ergebnissen wurde gemeinsam von wissenschaftlichen Forschungsteams aus den Vereinigten Staaten, China, dem Vereinigten Königreich und anderen Ländern erstellt. Der Artikel berichtet detailliert über die umfassende Synthese von 8 neuen Hefechromosomen und das innovative Design und die Synthese eines Transfer-RNA-Chromosoms (tRNA).

Bisher hat Sc2.0 die künstliche Synthese aller 16 Hefechromosomen abgeschlossen, einschließlich der 6 zuvor synthetisierten und der 2 Chromosomen, die noch nicht veröffentlicht, aber abgeschlossen wurden. Wissenschaftlern ist es außerdem gelungen, Chromosom 7,5 in einen natürlichen Stamm von Saccharomyces cerevisiae zu integrieren. Diese halbkünstliche Hefe verfügt über ähnliche Überlebens- und Replikationsmöglichkeiten wie wilde Hefestämme [1] . Mit anderen Worten: Es ist eine Hefezelle entstanden, die zur Hälfte natürlich und zur anderen Hälfte künstlich synthetisiert ist! Wissenschaftler haben außerdem ein völlig neues Chromosom für Hefezellen entwickelt – das tRNA-Chromosom [2], was einen neuen Schritt auf dem Weg zur Schaffung der weltweit ersten vollständig synthetischen eukaryotischen Zelle darstellt.

Diese aufregenden Ergebnisse gehören alle zu einer brandneuen Disziplin – der synthetischen Biologie. Heute bedeutet diese Reihe von Durchbrüchen, dass der Mensch nicht mehr nur an ein paar Genen herumbastelt, sondern in der Lage ist, ganze Genome von Grund auf zu entwerfen und aufzubauen.

Was ist synthetische Biologie?

Die synthetische Biologie ist ein aufstrebendes, interdisziplinäres Grenzgebiet, das in den letzten Jahren entstanden ist und als dritte biotechnologische Revolution nach der „Entdeckung der DNA-Doppelhelix“ und dem „Projekt zur Sequenzierung des menschlichen Genoms“ gilt. Im Jahr 2004 wurde die synthetische Biologie vom MIT Technology Review zu einer der zehn wichtigsten Technologien ernannt, die die Welt verändern werden, und im Jahr 2010 belegte sie in Science den zweiten Platz unter den zehn wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüchen.

Sie basiert auf mehreren Disziplinen wie Gentechnik, Systembiologie und Computertechnik und verwendet ingenieurwissenschaftliche Designkonzepte, um das genetische Material von Organismen zu entwerfen, umzuwandeln und sogar zu synthetisieren, wodurch die Grenzen zwischen den Arten aufgehoben und künstliche Lebensformen geschaffen werden. Die synthetische Biologie hat nicht nur das Potenzial, uns bei der Lösung der vielen Herausforderungen zu helfen, vor denen die menschliche Gesellschaft steht, sondern ermöglicht es uns auch, die Geheimnisse der grundlegenden Biowissenschaften aus einer neuen Perspektive der „Schöpfung“ zu enthüllen.

Die Essenz der synthetischen Biologie liegt im Design und in der Schöpfung. Ob es um die „Modifizierung bestehender natürlicher biologischer Systeme“ oder um die „Entwicklung und den Bau neuer biologischer Komponenten, Geräte und Systeme“ geht, die Grundlage dafür ist die DNA. Der allgemeine Prozess der synthetischen Biologie ist ein Forschungszyklus aus „Entwerfen-Bauen-Testen-Lernen-Neuaufbauen“.

Wissenschaftler verwenden zunächst Computersoftware, um das zu synthetisierende DNA-Konstrukt zu entwerfen. Die entworfene DNA wird in synthetisierbare Fragmente (Synthons) von 1–1,5 kb aufgeteilt. Mithilfe einzelsträngiger Oligonukleotide können synthetische Fragmente zusammengesetzt und zu größeren DNA-Elementen zusammengefügt werden. Die zusammengesetzte DNA erfordert zwei Verifizierungsschritte: Sequenzverifizierung und Funktionsverifizierung, nachdem sie in Zellen umgewandelt wurde. Basierend auf den Validierungsergebnissen werden Modifikationen vorgenommen und der Testzyklus wiederholt, bis ein DNA-Konstrukt mit der gewünschten Funktion erhalten wird [3].

Allerdings ist die Montage lebender Komponenten nicht so einfach wie die Montage von Schaltkreisen. Obwohl wir wissen, dass alle Lebenskomponenten in lebenden Organismen aus der DNA übersetzt werden, fehlt uns ein tiefes Verständnis vieler Komponenten. Die Funktionen dieser Komponenten können sich auch mit der Zeit, dem Ort, den Bedingungen usw. ändern. Selbst wenn wir die Funktion jeder Komponente kennen, kann es daher vorkommen, dass beim Zusammenbau dieser verschiedenen biologischen Komponenten ihre Funktionen fehlen oder „inkompatibel“ sind.

Abbildung 1 Testzyklus der synthetischen Biologie [3].

Von 2010 bis 2020 hat die synthetische Biologie mit der Entwicklung der Biotechnologie und des Bioengineerings rasante Fortschritte gemacht. Im Jahr 2010 gaben Forscher des J. Craig Venter Institute (JCVI) in den USA die Konstruktion der ersten künstlichen Zelle bekannt – des „synthetischen Mykoplasmas“ JCVI-syn1.0[4] . Im Jahr 2021 gaben die Forscher des Projekts bekannt, dass sie eine „Minimalzelle“ JCVI-syn3.0 mit nur 473 Genen auf Basis von JCVI-syn1.0 künstlich synthetisiert hatten [5]. Obwohl Mycoplasma eine prokaryotische Zelle mit einer viel einfacheren Struktur als eukaryotische Zellen ist, weckte die künstliche Synthese von Mycoplasma dennoch den Ehrgeiz der Wissenschaftler und führte zur Einführung des Projekts Sc2.0.

Erster Versuch, ein eukaryotisches Genom zu synthetisieren

Hefe ist eine Art einzelliger eukaryotischer Mikroorganismus, der eng mit dem menschlichen Leben verwandt ist. Aufgrund ihres eindeutigen genetischen Hintergrunds ist Hefe auch zu einem der am häufigsten verwendeten Modellorganismen in der wissenschaftlichen Forschung geworden. Bereits 1996 schlossen Wissenschaftler die vollständige Genomsequenzierung von Saccharomyces cerevisiae ab und fanden heraus, dass das Genom insgesamt etwa 6.000 Gene umfasst, von denen 5.000 für die Aufrechterhaltung der Lebensaktivitäten der Hefe nicht notwendig sind und gelöscht und neu geschrieben werden können.

Im Jahr 2007 initiierte Professor Jef D. Boeke von der New York University ein globales eukaryotische Forschungskooperationsprojekt – das Sc2.0-Projekt. Das Projekt wird in vielen Ländern der Welt vertrieben, wobei auf die USA und China 28 % bzw. 39 % der Gesamtsynthese entfallen. Im Jahr 2011 wurde das Sc2.0-Projekt offiziell in den USA, China, Großbritannien, Singapur, Australien und anderen Ländern gestartet. Ziel des Projekts ist die Fertigstellung des Entwurfs und der chemischen Rekonstruktion aller 16 Chromosomen von Saccharomyces cerevisiae und damit die Bereitstellung einer Anwendungsplattform für die systematische Untersuchung eukaryotischer Chromosomen. Dies war der erste Versuch des Menschen, das Genom eines eukaryotischen Organismus von Grund auf zu entwerfen und zu synthetisieren[6].

Um ihr Ziel zu erreichen, werden die Forscher ein Hefegenom von Grund auf synthetisieren, alle Transposons und repetitiven Elemente entfernen, Stopcodons neu kodieren und Transfer-RNA-Gene auf völlig neue Chromosomen verschieben. Dabei werden sie Fitnessdefekte vermeiden und Merkmale hinzufügen, die den Aufbau und die Manipulation der Chromosomen unterstützen. Obwohl während des Designprozesses des Sc2.0-Projekts Basendeletionen, -insertionen und -substitutionen an der Gensequenz vorgenommen wurden, muss grundsätzlich der gleiche Phänotyp des synthetischen Stamms und des natürlichen Stamms beibehalten werden, während gleichzeitig die Stabilität des Genoms gewährleistet sein muss. Um die genetische Flexibilität zu erhöhen, haben Wissenschaftler auch die Wildtyp-Genomsequenz optimiert[6].

Im Jahr 2014 schuf ein Forscherteam um Professor Boyke das erste künstliche Hefechromosom (Chromosom 3, das kleinste Hefechromosom) [7] . Im Jahr 2017 gab die internationale Kollaborationsgruppe des Sc2.0-Projekts bekannt, dass sie den Entwurf und die Synthese eines Drittels des Hefegenoms abgeschlossen habe, und das Magazin Science berichtete in einer Sonderausgabe darüber [8]. Dies stellt einen großen Fortschritt für das Sc2.0-Programm dar.

Wissenschaftler haben nun die Synthese von 16 Chromosomen abgeschlossen und 16 teilweise synthetische Hefestämme geschaffen, die jeweils 15 natürliche Chromosomen und 1 synthetisches Chromosom enthalten[1] . Wissenschaftler hybridisierten außerdem Hefezellen, die verschiedene synthetische Chromosomen enthielten, und suchten nach Individuen, deren Nachkommen zwei synthetische Chromosomen trugen. Anschließend kombinierten sie die künstlich synthetisierten Chromosomen schrittweise, um eine völlig synthetische neue Zelle zu bilden. Nach einem langen Hybridisierungsprozess wurden nun sechs vollständige Chromosomen und ein Chromosomenarm in dieselbe Zelle integriert. Der resultierende Hefestamm mit 6,5 künstlichen Chromosomen enthält mehr als 31 % synthetische DNA und weist eine normale Morphologie auf. Im Vergleich zur Wildhefe zeigen sich nur geringfügige Wachstumsdefekte [1].

Abbildung 2. SEM-Bilder von Hefezellen mit 6,5 synthetischen Chromosomen, die ein normales Erscheinungsbild und Knospungsverhalten zeigen [1]

Um die Effizienz des Chromosomenersatzes zu erhöhen, haben Wissenschaftler außerdem eine neue Methode zum effizienten Chromosomenersatz entwickelt. Mit dieser Methode übertrugen sie das größte Chromosom der Hefe (Chromosom 4, SynIV), wodurch eine Hefezelle mit 7,5 Chromosomen entstand, von denen mehr als 50 % synthetische DNA waren. Obwohl die Chromosomen der Hefe große Veränderungen durchmachten, war sie dennoch in der Lage zu überleben und sich zu replizieren[1].

Eines der Hauptziele von Sc2.0 ist die Verbesserung der Stabilität des Hefegenoms. Natürliche Hefezellen enthalten jedoch große Mengen repetitiver DNA, die nichts kodiert, sich aber durch natürliche Prozesse miteinander rekombinieren kann, was zu erheblichen strukturellen Veränderungen im Genom führt und es instabil macht. Um Hefezellen besser kontrollieren zu können, durchsuchte das Sc2.0-Team mithilfe eines Computerprogramms das Hefegenom, fand hochrepetitive DNA-Regionen und löschte diese, einschließlich aller DNA-Fragmente, die tRNA kodieren. Obwohl diese DNA-Sequenzen instabil sind, sind die von ihnen kodierten tRNAs für die Funktion der Zelle unerlässlich. Daher konzentrierten Wissenschaftler alle Gene, die tRNA kodieren, auf einem neuen Chromosom, dem tRNA-Neochromosom, und fügten es dann einer vollständig künstlichen Hefezelle hinzu[2]. Dies bietet Forschern auch eine neue Möglichkeit, synthetische Hefe besser zu kontrollieren und die Grenzen der Biologie zu erforschen.

Natürlich läuft bei einem so groß angelegten wissenschaftlichen Forschungsprojekt nicht immer alles glatt. Zu Beginn des Projekts musste das wissenschaftliche Forschungsteam Rückschläge bei der technischen Forschung und Entwicklung des Projekts hinnehmen. Sie stießen nicht nur auf komplexe Sequenzen, die die Synthese erschwerten, sondern scheiterten auch beim herkömmlichen synthetischen Klonen aufgrund von Kodierungsproblemen mit den Genen selbst. Da das Genom immer größer wird, müssen Wissenschaftler außerdem die Frage lösen, wie sich die Effizienz weiter steigern und die Kosten senken lassen. Der zeit- und arbeitsintensivste Teil des Projekts ist das Auffinden und Beheben synthetischer Defekte, was eine der größten Schwierigkeiten bei der Synthese des Hefegenoms darstellt. Im Vergleich zu anderen synthetischen Genomen sind die an synthetischer Hefe beteiligten Sequenzen zahlreich und komplexer Natur. Die Fehlersuche gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen und erfordert viel Überprüfungsarbeit. Doch letztlich hat das Sc2.0-Projekt dank der gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern aus mehreren Ländern gute Fortschritte gemacht, und die Einbringung aller künstlichen Chromosomen in dieselbe Hefe wird in Zukunft eine neue Herausforderung darstellen.

Aufgrund des reibungslosen Verlaufs der bisherigen Sc2.0-Forschung erkannten die Wissenschaftler auch, dass wir tiefere Modifikationen am Hefegenom vornehmen können, um spezifische biologische Probleme zu untersuchen oder damit verbundene Anwendungsziele zu erreichen. Aus diesem Grund initiierten der chinesische Wissenschaftler Dai Junbiao gemeinsam mit Professor Cai Yizhi von der Universität Manchester in Großbritannien und Professor Boyke von der New York University in den USA das Projekt Sc3.0. In diesem Projekt werden Wissenschaftler das Hefegenom rationalisieren und detaillierter gestalten und das erste minimale Hefegenom konstruieren, um wichtige biologische Fragen zu untersuchen, wie etwa: Welche Hefegene können gelöscht werden, ohne dass ihre Aktivität beeinträchtigt wird? Welche evolutionäre Bedeutung haben sie? Welche Funktionen sind unter gegebenen Bedingungen für das Minimalgenom erforderlich, um eukaryotes Leben aufrechtzuerhalten, ob die Organisationsform des Wildtypgenoms eine signifikante biologische Bedeutung hat, ob wir die Anordnung und Regulierung von Genen innerhalb des Genoms künstlich gestalten können usw. Die Initiative und die Projektvorstellung des Sc3.0-Programms wurden 2020 auch in der Zeitschrift Genome Biology veröffentlicht[9].

Sind Menschen heute in der Lage, Leben zu erschaffen?

Nein, im Moment haben wir einfach die Antworten aus dem Lehrbuch kopiert. Im Wesentlichen wich diese synthetische Hefezelle nicht von der genetischen Vorlage der Natur ab, sondern kopierte oder modifizierte lediglich die vorhandenen Gene. Dabei kann nicht von einer „Innovation von Grund auf“ gesprochen werden, sondern lediglich von einer „Neuoptimierung“ auf Grundlage der Karte. Jeder Punkt der „Optimierung“ muss weiter überprüft werden, um festzustellen, ob er die Überlebensaktivität der Hefe selbst beeinflusst. Auch unser Verständnis vom Leben ist weit davon entfernt, von Grund auf Innovationen hervorbringen zu können. Obwohl Wissenschaftler derzeit in der Lage sind, das Genom eukaryotischer Organismen künstlich zu synthetisieren, gelingt es ihnen noch nicht, das gesamte künstliche Genom in dieselbe eukaryotische Zelle zu übertragen. Um eine Zelle direkt „von Grund auf“ aufzubauen oder eine Reihe neuer Genome zu entwerfen, ohne sich auf natürliche Gensequenzen zu verlassen, müssen Wissenschaftler auch ein tieferes Verständnis der Zellstruktur, der Funktion und Regulierung von Genen sowie ein klareres Verständnis der Natur und des Ursprungs des Lebens haben.

Aber wir sind immer noch dabei, Darwins Evolutionstheorie langsam zu „stürzen“. Im Vergleich zu Sc1.0 (natürliche Hefe) kann der Sc2.0-Plan als Werkzeug verwendet werden, um Dinge direkt zu „erschaffen“, indem Gene aus exogenen Quellen eingeführt werden. Theoretisch können durch die künstliche Gestaltung und Synthese von Hefegenomen und die anschließenden Untersuchungen zur schnellen Genomentwicklung nicht nur funktionelle Untersuchungen des gesamten Hefegenoms durchgeführt werden, sondern auch eine große Menge an Material für die Untersuchung der Evolutionsgeschichte der Hefe durch die Hefebibliothek bereitgestellt werden, die durch zufällige Veränderungen im Genom entsteht. Darüber hinaus ist Hefe eng mit dem menschlichen Leben verbunden. Es ist ein wichtiger Rohstoff für die Weinherstellung und Brotherstellung. In der Industrie kann Hefe viele Stoffe für uns produzieren. Beispielsweise können wir durch das Hinzufügen von Genen, die mit der Synthese von Artemisinin in Zusammenhang stehen, zur Hefe eine Massenproduktion von Artemisinin erreichen. In Zukunft können wir auch einige von anderen Mikroorganismen synthetisierte Substanzen zur Herstellung in künstliche Hefe geben, beispielsweise Antibiotika, MSG und sogar Hyaluronsäure. Man kann sagen, dass künstliche Hefe ein großes Anwendungspotenzial zur Verbesserung des Lebens der Menschen hat und in der Lebensmittelproduktion, Arzneimittelproduktion, Bioenergie, Biomaterialien und anderen Bereichen breit eingesetzt werden kann.

Im Jahr 2010 rekombinierte Craig Venter, der „Vater des menschlichen Genoms“, die DNA eines Mikroorganismus namens Mycoplasma mycoides, „klebte“ die neuen DNA-Fragmente zusammen und implantierte sie in ein anderes Bakterium, um das erste sogenannte „künstliche Leben“ zu erschaffen [10] . Obwohl diese Leistung damals erhebliche Kontroversen auslöste, war der kleine menschliche Text, den er dem Genom dieses „künstlichen Lebens“ hinzufügte, sehr beeindruckend: „Leben, irren, fallen, triumphieren, Leben aus Leben erschaffen.“ Die Natur hat die menschliche Welt geschaffen, und vielleicht können die Menschen auch eine andere Welt hin zu einem besseren Zuhause schaffen.

Verweise

[1] doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025.

[2] doi: 10.1016/j.cell.2023.10.015.

[3] doi: 10.1101/cshperspect.a023812.

[4] doi: 10.1126/science.1190719.

[5] doi: 10.1016/j.cell.2021.03.008.

[6] doi: 10.1126/science.aaf4557.

[7] doi: 10.1126/science.1249252.

[8] SCIENCE VOLUME 355|ISSUE 6329|10 MÄRZ 2017

[9] doi: 10.1186/s13059-020-02130-z.

[10] doi: 10.1126/science.1190719.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

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Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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