Biologische Maschine Künstliches Genom kopiert sich selbst

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Max Planck-Institut für Biochemie

Die Natur hat mit dem Erbgut einen biologischen Datenspeicher hervorgebracht, der seinesgleichen sucht. Nun haben Forscher einen wichtigen Schritt gemacht, diesen Speicher nachzubauen – inklusive seiner Fähigkeit zur Selbstreproduktion. Derartige sich selbst erhaltende chemische Systeme könnten für die Entwicklung biologischer Produktionsmaschinen relevant sein.

Martinsried – Um die Grundprozesse des Lebens besser zu verstehen, beschäftigen sich Forscher aus dem Bereich der synthetischen Biologie mit „Bottom-up“-Prozessen, also der Erzeugung von lebensähnlichen Systemen aus unbelebten molekularen Bausteinen. Eine der grundlegendsten Eigenschaften aller lebenden Organismen ist die Fähigkeit, sich als abgegrenzte Einheiten selbst zu erhalten und zu reproduzieren. Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern nun gelungen, solch eine Einheit synthetisch herzustellen.

Die Bauteile einer selbsterhaltenden biologischen Maschine

Die Forschergruppe um Hannes Mutschler vom Max-Planck-Institut für Biochemie hat ein System im Reagenzglas hergestellt, in welchem Genomvervielfältigung und Proteinsynthese gleichzeitig ablaufen. „Unser System ist in der Lage, einen wesentlichen Anteil seiner molekularen Bestandteile selbst zu regenerieren“, sagt Mutschler.

Um diese Selbstreproduktion zu starten, benötigten die Forscher eine Bauanleitung sowie verschiedene molekulare „Maschinen“ und Nährstoffe. Übersetzt in biologische Termini handelt es sich bei der Bauanleitung um DNA, welche die Information für den Aufbau der Proteine gespeichert hat. Die molekularen Maschinen sind Proteine, da sie in Organismen häufig biochemische Reaktionen katalytisch beschleunigen. Als Grundbausteine dienen Nukleotide für die DNA sowie Aminosäuren für die Proteine.

Laborgenom so lang wie in einfachen Zellen

Konkret haben die Forscher ein so genanntes In vitro-Expressionssystem optimiert, das Proteine ausgehend von einer DNA-Bauanleitung synthetisiert. Durch verschiedene Verbesserungen ist das In vitro-Expressionssystem jetzt in der Lage, sehr effizient als DNA-Polymerasen bezeichnete Proteine zu synthetisieren. Diese Proteine vervielfältigen im Anschluss unter Verwendung von Nukleotiden die im System vorliegende DNA – machen also neue Kopien von ihrer eigenen Bauanleitung.

„Anders als in früheren Studien kann unser System vergleichsweise lange DNA-Genome ablesen und kopieren“, erklärt Kai Libicher, Erstautor der Studie. Die künstlichen Genome haben die Wissenschaftler dabei aus bis zu elf ringförmigen DNA-Stücken zusammengesetzt. Dieser modulare Aufbau ermöglicht es ihnen relativ einfach, bestimmte DNA-Abschnitte in die Bauanleitung einzufügen oder wieder zu entfernen. Das größte von den Forschern vervielfältigte Genom besteht aus mehr als 116.000 Basenpaaren und erreicht damit die Genomlänge von sehr einfach aufgebauten Zellen.

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Selbstgebaute Proteine

Neben den für die DNA-Vervielfältigung wichtigen Polymerasen kodiert das künstliche Genom weitere Proteine, wie beispielsweise 30 Translationsfaktoren, die ursprünglich aus dem Bakterium Escherischia coli stammen. Translationsfaktoren sind wichtig für die Übersetzung der DNA-Bauanleitungen in die jeweiligen Proteine und daher essentiell für selbstvervielfältigende Systeme, die sich an der existierenden Biochemie orientieren.

Um zu zeigen, dass das neue In vitro-Expressionssystem auch seine eigenen Translationsfaktoren herstellen kann, haben die Forscher die Menge der vom System produzierten Proteine mittels Massenspektrometrie ermittelt. Dabei zeigte sich, dass ein Teil der Translationsfaktoren nach der Reaktion sogar in größeren Mengen vorhanden waren als sie zuvor eingesetzt wurden. Dies werten die Forscher als einen Schritt in Richtung eines sich kontinuierlich selbstvervielfältigenden Systems, das biologische Vorgänge nachahmt.

Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Produktionsmaschinen

In Zukunft möchten die Wissenschaftler das künstliche Genom um weitere DNA-Abschnitte erweitern und ein umhülltes System fertigen, das in der Lage ist, durch Zugabe von Nährstoffen und Entsorgung von Abfallprodukten lebensfähig zu bleiben. Eine solche Minimalzelle könnte beispielsweise in der Biotechnologie als maßgeschneiderte Produktionsmaschine für Naturstoffe verwendet werden oder als Plattform, um weitere, noch komplexere lebensähnliche Systeme zu bauen.

Originalpublikation: Kai Libicher, Renate Hornberger, Michael Heymann & Hannes Mutschler: In vitro self-replication and multicistronic expression of large synthetic genomes, Nature Communications, Volume 11, Article number: 904, Februar 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-14694-2

* Dr. C Menzfeld, Max Planck-Institut für Biochemie, 82152 Planegg

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