Die synthetische Biologie schreibt das Leben bereits neu.

Ende 2023, Wissenschaftler enthüllte Hefezellen Die Hälfte ihres genetischen Bauplans wurde durch künstliche DNA ersetzt. Es war ein „Wendepunkt“ in einer 18-jähriges Projekt alternative Versionen jedes Hefechromosoms zu entwerfen. Obwohl sie über siebeneinhalb synthetische Chromosomen verfügten, vermehrten sich die Zellen und gediehen.

Eine neue Studie bringt uns die Evolutionsleiter hin zu Designerpflanzen hinauf.

Für ein Projekt namens SynMoss hat ein Team in China einen Teil eines einzelnen Chromosoms in einer Moosart neu gestaltet. Die daraus resultierende teilsynthetische Pflanze wuchs normal und produzierte Sporen und war damit eines der ersten Lebewesen mit mehreren Zellen, das ein teilweise künstliches Chromosom trug.

Die individuellen Veränderungen in den Chromosomen der Pflanze sind im Vergleich zur synthetischen Hefe relativ gering. Aber es ist ein Schritt in Richtung einer völligen Neugestaltung der Genome in übergeordneten Organismen.

In einem Interview mit WissenschaftDer synthetische Biologe Dr. Tom Ellis vom Imperial College London sagte, es sei ein „Weckruf für Menschen, die denken, dass synthetische Genome nur für Mikroben da seien.“

Das Leben verbessern

Bemühungen, das Leben neu zu schreiben, dienen nicht nur der Befriedigung wissenschaftlicher Neugier.

Das Herumbasteln an der DNA kann uns helfen, die Evolutionsgeschichte zu entschlüsseln und kritische Abschnitte der DNA zu lokalisieren, die die Chromosomen stabil halten oder Krankheiten verursachen. Die Experimente könnten uns auch helfen, die „dunkle Materie“ der DNA besser zu verstehen. Mysteriöse Sequenzen, die im gesamten Genom verstreut sind und keine Proteine ​​kodieren, haben Wissenschaftler lange Zeit vor ein Rätsel gestellt: Sind sie nützlich oder nur Überbleibsel der Evolution?

Synthetische Organismen erleichtern auch die Konstruktion von Lebewesen. Bakterien und Hefen werden beispielsweise bereits zum Brauen von Bier und zum Auspumpen lebensrettender Medikamente wie Insulin verwendet. Durch das Hinzufügen, Vertauschen oder Entfernen von Teilen des Genoms ist es möglich, diesen Zellen neue Fähigkeiten zu verleihen.

In einer aktuellen StudieBeispielsweise haben Forscher Bakterien so umprogrammiert, dass sie Proteine ​​mithilfe von Aminosäurebausteinen synthetisieren, die in der Natur nicht vorkommen. In einem anderen In einer Studie verwandelte ein Team Bakterien in plastikfressende Terminatoren, die Plastikmüll in nützliche Materialien recyceln.

Obwohl es beeindruckend ist, bestehen Bakterien im Gegensatz zu unseren Zellen aus Zellen – ihr genetisches Material schwimmt herum, was es möglicherweise einfacher macht, sie neu zu vernetzen.

Das Projekt für synthetische Hefe war ein Durchbruch. Im Gegensatz zu Bakterien ist Hefe eine eukaryotische Zelle. Pflanzen, Tiere und Menschen fallen alle in diese Kategorie. Unsere DNA ist in einer nussähnlichen Blase, dem sogenannten Zellkern, geschützt, was es für synthetische Biologen schwieriger macht, sie zu optimieren.

Und was Eukaryoten betrifft, sind Pflanzen schwieriger zu manipulieren als Hefe – ein einzelliger Organismus –, da sie mehrere Zelltypen enthalten, die Wachstum und Fortpflanzung koordinieren. Chromosomenveränderungen können sich je nach Funktion der einzelnen Zellen unterschiedlich auswirken und sich wiederum auf die Gesundheit der Pflanze auswirken.

„Die Genomsynthese in mehrzelligen Organismen bleibt Neuland“, schrieb das Team in seiner Arbeit.

Langsam und gleichmäßig

Anstatt ein völlig neues Genom von Grund auf aufzubauen, bastelte das Team am vorhandenen Moosgenom herum.

Dieser grüne Flaum wurde im Labor ausführlich untersucht. Eine frühe Analyse Das gefundene Moosgenom weist 35,000 potenzielle Gene auf – für eine Pflanze auffallend komplex. Alle 26 seiner Chromosomen wurden vollständig sequenziert.

Aus diesem Grund sei die Pflanze ein „weit verbreitetes Modell in evolutionären Entwicklungs- und zellbiologischen Studien“, schrieb das Team.

Moosgene passen sich leicht an Umweltveränderungen an, insbesondere an solche, die DNA-Schäden durch Sonnenlicht reparieren. Im Vergleich zu anderen Pflanzen – wie der Ackerschmalwand, einem weiteren von Biologen bevorzugten Modell – verfügt Moos über die eingebaute Fähigkeit, große DNA-Veränderungen zu tolerieren und sich schneller zu regenerieren. Beide Aspekte seien beim Umschreiben des Genoms „wesentlich“, erklärte das Team.

Noch ein Vorteil? Aus einer einzelnen Zelle kann das Moos zu einer vollwertigen Pflanze heranwachsen. Diese Fähigkeit ist ein Traumszenario für synthetische Biologen, da die Veränderung von Genen oder Chromosomen in nur einer Zelle möglicherweise einen ganzen Organismus verändern kann.

Pflanzenchromosomen sehen wie unsere eigenen aus wie ein „X“ mit zwei gekreuzten Armen. Für diese Studie beschloss das Team, den kürzesten Chromosomenarm der Pflanze – Chromosom 18 – neu zu schreiben. Es war immer noch ein Mammutprojekt. Zuvor umfasste der größte Ersatz nur etwa 5,000 DNA-Buchstaben; Die neue Studie musste über 68,000 Briefe ersetzen.

Das Ersetzen natürlicher DNA-Sequenzen durch „die neu gestalteten großen synthetischen Fragmente stellte eine gewaltige technische Herausforderung dar“, schrieb das Team.

Sie verfolgten eine „Teile-und-herrsche“-Strategie. Sie entwarfen zunächst mittelgroße Stücke synthetischer DNA, bevor sie sie zu einem einzigen DNA-„Megastück“ des Chromosomenarms zusammenfügten.

Das neu gestaltete Chromosom wies mehrere bemerkenswerte Änderungen auf. Es wurden Transposons oder „springende Gene“ entfernt. Diese DNA-Blöcke bewegen sich im Genom und Wissenschaftler diskutieren immer noch darüber, ob sie für normale biologische Funktionen unerlässlich sind oder ob sie zur Entstehung von Krankheiten beitragen. Das Team fügte dem Chromosom außerdem DNA-„Tags“ hinzu, um es als synthetisch zu kennzeichnen, und nahm Änderungen an der Art und Weise vor, wie es die Herstellung bestimmter Proteine ​​reguliert.

Insgesamt reduzierten die Veränderungen die Größe des Chromosoms um fast 56 Prozent. Nachdem das Designer-Chromosom in Mooszellen eingefügt worden war, züchtete das Team daraus erwachsene Pflanzen.

Eine halbsynthetische Blüte

Selbst mit einem stark veränderten Genom war das synthetische Moos überraschend normal. Die Pflanzen wuchsen leicht zu Blattsträuchern mit mehreren Zweigen heran und produzierten schließlich Sporen. Alle Fortpflanzungsstrukturen ähnelten denen in freier Wildbahn, was darauf hindeutet, dass die halbsynthetischen Pflanzen einen normalen Lebenszyklus hatten und sich möglicherweise vermehren konnten.

Die Pflanzen behielten auch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber stark salzhaltigen Umgebungen bei – eine nützliche Anpassung, die auch bei ihren natürlichen Gegenstücken zu beobachten ist.

Aber das synthetische Moos hatte einige unerwartete epigenetische Eigenheiten. Epigenetik ist die Wissenschaft darüber, wie Zellen Gene an- oder ausschalten. Der synthetische Teil des Chromosoms hatte ein anderes epigenetisches Profil als natürliches Moos und enthielt mehr aktivierte Gene als üblich. Dies könne potenziell schädlich sein, so das Team.

Das Moos bot auch potenzielle Einblicke in die „dunkle Materie“ der DNA, einschließlich Transposons. Das Löschen dieser springenden Gene schien den teilweise synthetischen Pflanzen keinen Schaden zuzufügen, was darauf hindeutet, dass sie für ihre Gesundheit möglicherweise nicht wichtig sind.

Praktischer könnten die Ergebnisse sein Biotechnologieanstrengungen vorantreiben Verwendung von Moos zur Herstellung einer Vielzahl therapeutischer Proteine, darunter solche zur Bekämpfung von Herzkrankheiten, zur Wundheilung oder zur Behandlung von Schlaganfällen. Moos wird bereits zur Synthese von Medikamenten verwendet. Ein teilweise gestaltetes Genom könnte seinen Stoffwechsel verändern, seine Widerstandsfähigkeit gegen Infektionen erhöhen und den Ertrag steigern.

Der nächste Schritt besteht darin, den gesamten kurzen Arm von Chromosom 18 durch synthetische Sequenzen zu ersetzen. Ihr Ziel ist es, innerhalb von zehn Jahren ein vollständiges synthetisches Moosgenom zu erzeugen.

Es ist ein ehrgeiziges Ziel. Im Vergleich zum Hefegenom, das 18 Jahre brauchte und in einer weltweiten Zusammenarbeit die Hälfte davon neu geschrieben wurde, ist das Moosgenom 40-mal größer. Aber mit immer effizienteren und kostengünstigeren DNA-Lese- und Synthesetechnologien ist das Ziel nicht unerreichbar.

Ähnliche Techniken könnten auch andere Projekte zur Neugestaltung von Chromosomen in Organismen jenseits von Bakterien und Hefen inspirieren, von Pflanzen bis hin zu Tieren.

Bild-Kredit: Pyrex / Wikimedia Commons

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/