Verändertes Gen-Alphabet

Chemische Evolution erzeugt Bakterienstamm mit künstlichem Nucleotid im Genom

20.07.2011 - Deutschland

Die Evolution basiert auf Vererbung, Veränderung des Erbgutes (Mutation) und der natürlichen Auslese derjenigen Organismen, die unter den gegebenen Umweltbedingungen am besten angepasst sind. Einem internationalen Team um Rupert Mutzel von der Freien Universität Berlin ist es nun gelungen, einen besonderen Evolutionsvorgang im Labor nachzuempfinden. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, konnten sie einen Bakterienstamm erzeugen, in dessen Erbgut ein natürlicher Baustein durch einen künstlichen ausgetauscht ist. Erfolgsgeheimnis ist eine spezielle automatisierte Kultivierungstechnik.

Die DNA, Träger der genetischen Information aller Zellen, basiert auf einem Code aus den vier „Buchstaben“, den Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Dank ihres neuen Verfahrens einer künstlichen Evolution konnten die Wissenschaftler nun Bakterien züchten, die statt Thymin ein Analogon, die Base 5-Chloruracil, in ihre DNA einbauen. Dieser synthetische Baustein ist für andere Organismen giftig.

Ausgangspunkt war ein gentechnisch veränderter Stamm des Bakteriums Escherichia coli, der nicht mehr in der Lage ist, Thymin selbst herzustellen. Diese Mikroorganismen wurden in einer speziell konstruierten Apparatur über viele Generationen in der Gegenwart steigender Mengen an Chloruracil kultiviert. Immer wenn die Größe der Population unter ein bestimmtes Level sank, erhielten die Bakterien kurzfristig zur Erholung ein Chloruracil-freies, Thymin-haltiges Medium. Automatisch wurde die Chloruracil-Konzentration jeweils erhöht, wenn genetische Varianten der Bakterien entstanden waren, die diese Substanz besser vertrugen. Auf diese Weise wurden die Zellen immer einer gerade noch tolerablen Menge Chloruracil ausgesetzt. Nach etwa 1000 Generationen hatten sich die Mikroorganismen an die veränderten Umweltbedingungen, sprich das Vorhandensein von Chloruracil statt von Thymin, angepasst. Sie waren in der Lage, ihre DNA mit Chloruracil als Ersatz für Thymin aufzubauen. Wie eine Genomanalyse zeigte, kam es während des Anpassungsprozesses zu vielfältigen Veränderungen des Erbgutes der Bakterien.

„Unsere Ergebnisse belegen den Erfolg unserer evolutiven Kultivierungsstrategie“, sagt Mutzel. „Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Mikroorganismen züchten, die Zwischenprodukte chemischer Synthesen zu Pharma-Wirkstoffen umsetzen oder auch bestimmte Umweltgifte abbauen können.“ Mikroorganismen, die Erbmaterial mit nicht-natürlichen Bausteinen enthalten, könnten zudem interessant sein, um eine Vermehrung absichtlich oder unabsichtlich freigesetzter veränderter Zellen in der Umwelt zu verhindern. Mit ihren natürlichen Verwandten könnten solche Mikroorganismen auch keine Gene austauschen.