Der Minimalorganismus: 473 Gene reichen für ein Leben

     

Forscher erzeugten das kleinste Lebewesen, welches sich noch selbständig vermehren kann. Dieser Minimalorganismus soll das Arbeitspferd der synthetischen Biologie werden - doch erst einmal überrascht er mit unerwarteten Problemen.

Wie viele Gene braucht das Leben? Hinter dieser Frage steckt mehr als reine Neugierde - handfeste kommerzielle Interessen haben die Beantwortung vorangetrieben. Denn wer biologische Miniatur-Fabriken bauen möchte, braucht zuerst ein einfaches Grundgerüst.

Der Minimalorganismus

Der Minimalorganismus hat 473 Gene, von denen viele eine unbekannte Funktion haben.

20 Jahre Vorarbeit, Millionen von US-Dollar, ein brillantes Team - der Genom-Pionier Craig Venter hatte auf der Suche nach dem Minimalorganismus viel investiert. Im März 2016 konnte das scheinbar einfache Lebewesen - getauft auf den Namen JCVI-syn3.0 - der Öffentlichkeit vorgestellt werden1. Doch der erhoffte große Wurf war es nicht: Zu hartnäckig waren die Probleme, mit denen das ehrgeizige Projekt von Beginn an konfrontiert war.

Größer als erwartet, und unbekannt dazu

Ausgangspunkt war ein Bakterium mit Namen Mycoplasma mycoides, das als ungebetener Gast vor allem im Magen von Wiederkäuern zu finden ist. Bereits im Jahr 2010 gelang es Venters Team, das Erbgut von M. mycoides vollständig im Labor zu erzeugen und es in eine andere Bakterienart zu transplantieren (Venter nannte dies eine "synthetische Zelle"). In den folgenden sechs Jahren konnten sie dann auch fast die Hälfte der natürlichen Gene eliminieren - die synthetischen Zelle hatte sich in den Minimalorganismus verwandelt.

473 Gene erwiesen sich als unverzichtbar, damit sich das Bakterium noch selbständig und mit akzeptabler Geschwindigkeit vermehren konnte. Diese Zahl war die erste Enttäuschung - die Forscher hatten eigentlich auf etwa 250 Gene gehofft. Der Minimalorganismus war damit fast doppelt so groß wie erwartet. Und auch nur unerheblich kleiner als ein vergleichbarer natürlicher Organismus, der Erreger M. genitalium mit seinen 525 Genen.

Doch schwerwiegender war ein zweites Problem: Fast ein Drittel der verbliebenen Gene erwies sich als unbeschriebenes Blatt. Ihre Funktion blieb weitgehend unklar oder war sogar völlig unbekannt. Doch mit so vielen unbekannten Genen können die Prozesse in der Zelle nicht am Computer simuliert werden - eine zentrale Voraussetzung, um den Minimalorganismus in der synthetischen Biologie zu nutzen.

Fabrik aus dem Baukasten

Denn der Minimalorganismus war nur als Grundgerüst gedacht: Genetische Module wie aus dem Baukasten sollten seine Funktionen erweitern, damit er beliebige Aufgaben übernehmen kann. Am Ende sollten Miniatur-Fabriken entstehen - gezielt erzeugt für die Produktion von Medikamenten, Treibstoffen und chemischen Bausteinen. Und wie auf einem digitalen Reißbrett sollte eine Computersimulation den Entwurf der lebenden Fabriken ermöglichen.

Das wäre mehr als die Erfüllung eines Traums der synthetischen Biologie - es könnte eine sprudelnde Geldquelle werden. Venter wollte mit dem Bau von Minifabriken Aufträge anderer Unternehmen einwerben, und hoffte dabei auf hohe Gewinne, die über Lizenzen und Kooperationen geflossen wären. Doch im jetzigen Zustand - mit weitgehend unbekanntem Erbgut - ist der Minimalorganismus für diese Zwecke kaum geeignet.

Doch noch gibt Venter sich nicht geschlagen. Sein Team arbeitet bereits mit Hochdruck daran, die Funktion der unbekannten Gene aufzuklären. Dies ist allerdings eine höchst mühselige Arbeit, und sie wird sicher noch viele Jahre andauern.

Basteln statt planen?

Angesichts der großen Konkurrenz könnte die Zeit knapp werden. Denn andere Forscher halten es für wenig sinnvoll, eine Lebensform von neu auf zu konstruieren - sie passen lieber bestehende Organismen an neue Aufgaben an. Und im Gegensatz zu Venter, der mit seinem Team fast allein am Minimalorganismus arbeitet, gibt es weltweit hunderte von Laboren, die über den Weg der schrittweisen Mutationen ihre Ziele erreichen wollen.

George Church von der Harvard Universität entwickelte bereits vor Jahren das MAGE-System2, das systematisch und innerhalb weniger Stunden dutzende von mutierten Bakterienstämme erzeugen kann. Church ist auch entscheidend an der Entwicklung des CRISPR-Systems beteiligt, dass derartige Mutationen höchst gezielt und ohne großen Aufwand hervorrufen kann. Das Feld der "Bastler" ist dem Minimalorganismus bereits um einiges voraus, und der Abstand wird sich in nächster Zukunft sicher noch erhöhen.

Venter hingegen wird noch viele Jahre brauchen, bis sein Minimalorganismus einsatzbereit ist. In dieser Zeit werden andere Labore viele kleine, aber leichter zu realisierende Lösungen entwickelt haben. Wer sich dann letztlich auf dem Markt der synthetischen Biologie durchsetzen wird, bleibt abzuwarten.

Teil 1/2: Die synthetische Zelle - erste künstliche Lebensform?
Teil 2/2: Der Minimalorganismus: 473 Gene reichen für ein Leben

1 Hutchinson et al., Design and synthesis of a minimal bacterial genome, Science, März 2016, (link)
2 Wang et al., Programming cells by multiplex genome engineering and accelerated evolution, Nature 2009 (link)

Der Minimalorganismus

Der Minimalorganismus hat 473 Gene, von denen viele eine unbekannte Funktion haben.
Etwa einem Drittel der Gene des Minimalorganismus kann keine Funktion zugeordnet werden.

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Kurz und knapp 

  • 473 Gene benötigt der kleinste, sich selbständig replizierende Organismus
  • die Funktion von etwa einem Drittel der Gene ist bislang unklar
  • der Minimalorganismus soll als Grundgerüst für biologische Minifabriken dienen
  • konkurrierende Ansätze versuchen, bestehende Organismen schrittweise anzupassen