Mehr Buchstaben für den Gencode

Schritt 1: Man finde ein paar zusammenpassender Moleküle, hier d5SICSTP (X) und dNaM (Y) und passe diese in einen DNA-Strang ein. Grafik: Synthorx

Aufbruch in ein neues Zeitalter: Mit nur fünf Elementen hat die Evolution den Bauplan aller Lebewesen aufgeschrieben. Biologen ist nun gelungen, einem lebenden Organismus ein weiteres, künstliches Basenpaar hinzuzufügen

Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin und Uracil sind die fünf Basen, auf denen der Bauplan aller Lebewesen beruht. Da sich A und T (beziehungsweise U in der RNA) sowie C und G immer paarweise verbinden, besteht der Gencode im Grunde nur aus zwei Buchstaben. Dass sich damit auch komplizierte Strukturen erzeugen lassen, wissen wir aus der Informationstechnik, die mit einer ähnlichen Sprache arbeitet. Hier macht's einfach die Masse: Millionenfach kombiniert, lässt sich auch mit wenigen Grundeinheiten alles ausdrücken. Die einfache Struktur hat dabei den Vorteil, dass Reparaturmechanismen einfacher funktionieren und die Zelle für ihre Vermehrung auch nicht so viele unterschiedliche Stoffe vorhalten muss.

Trotzdem befassen sich Mikrobiologen fast seit Entdeckung der DNA damit, das vorhandene Gen-Alphabet zu ergänzen. Zunächst veränderte man dazu einfach die Buchstaben selbst ein wenig - ein Vorgang, bei dem wir inzwischen auch die Natur erwischt haben. Später entdeckten die Forscher, dass sich die Basenpaare nicht unbedingt nur mit einer Wasserstoffbrücken-Bindung kombinieren lassen. Das gab ihnen mehr Freiheit bei der Konstruktion künstlicher Nukleobasen. Die Vervielfältigung der so künstlich ergänzten DNA war bisher jedoch nur im Reagenzglas gelungen.

Im Wissenschaftsmagazin Nature stellt nun ein Forscherteam aus den USA das erste Bakterium vor, das seine um zwei Kunstbuchstaben ergänzte DNA selbst vervielfältigt. Das größte Problem bestand dabei darin, der Zelle (die Forscher wählten das weit verbreitete Darmbakterium Escherichia Coli) die nötigen Rohstoffe zur Verfügung zu stellen. Damit eine Zelle sich vermehren kann, braucht sie alle Bestandteile ihrer DNA.

Nur so kann sie den DNA-Strang aufsplitten und wieder ergänzen. Die schon früher auf ihre Eignung als künstliche Nukleobasen untersuchten Stoffe d5SICSTP (Buchstabe "X") und dNaM (Buchstabe "Y") stellt E. Coli aber nicht her. Das Forscherteam erweiterten den Gencode von E. Coli deshalb um einen von Algen entlehnten Transportmechanismus, der eben diese Stoffe aus der Umgebung ins Zellinnere befördert. Damit waren die veränderten Bakterien dann tatsächlich in der Lage, sich selbst zu vervielfältigen, ohne den neuen Gencode zu verlieren.

Interessant ist das aus zwei Aspekten. Zum einen könnte das die ungewollte Weitergabe von Genmodifikationen verhindern - ein häufiger Kritikpunkt an der Gentechnik. Findet die veränderte Zelle die nötigen Rohstoffe nicht in der Umgebung, normalisiert sich ihr Gencode wieder.

Zum anderen hoffen die Forscher, den derart manipulierten Zellen dereinst ganz neue Fähigkeiten verleihen zu können, die mit den natürlichen fünf Elementen nicht möglich sind. Bis dahin dürfte jedoch noch einige Zeit vergehen - bisher haben die Biologen nur gezeigt, dass E. Coli trotz des zusätzlichen Basenpaars weiterlebt. Das Bakterium toleriert die Veränderung also nur, es nutzt sie nicht.

Schritt 2: Man baue einem Bakterium (hier Escherichia Coli) einen Transport-Mechanismus ein, der X und Y aus der Umgebung ins Zellinnere befördert. Grafik: Synthorx

Schritt 3: Das Bakterium befördert X und Y aus der Umgebung in sein Inneres. Grafik: Synthorx
Schritt 4: Die natürlichen Mechanismen des Bakteriums replizieren die teils künstliche DNA. Die Zelle teilt sich. Grafik: Synthorx
Schritt 5: Fehlen X und Y in der Umgebung, beginnt die Zelle mit einem Reparaturprozess, der die beiden Codes wieder aus der DNA entfernt. Grafik: Synthorx

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