Ein erster Schritt zum künstlichen Lebewesen

Als schottische Forscher im Februar 1997 das Klonschaf Dolly der Weltöffentlichkeit präsentierten, ist ihnen ein ungewöhnlicher Coup gelungen: Kaum ein Experte hatte es zuvor für möglich gehalten, dass sich ein erwachsenes Säugetier kopieren lässt, entsprechend groß waren Erstaunen und auch Entsetzen.

Was beim Schaf möglich war, würde auch beim Homo sapiens klappen, das begriffen die meisten Menschen recht schnell. Dolly war das vorzeigbare und anfassbare Produkt eines wissenschaftlichen Durchbruchs. Jeder konnte - das Schaf vor Augen - das Potenzial dieser Entdeckung sofort erfassen: Dolly und seine Erzeuger wurden zwangsläufig zu Medienstars.

Die Bäckerhefe dürfte es da etwas schwieriger haben, und dennoch wird das, was ein 80-köpfiges Team am heutigen Freitag auf nur einer Textseite in der Fachzeitschrift "Science" (2014; online 27. März) veröffentlicht hat, die biologischen Wissenschaften weit stärker verändern, als es Dolly je vermochte.

Denn wozu soll man noch einen Organismus klonen, wenn man die Evolution am Computer gezielt steuern und ein viel besseres, ein genetisch optimiertes Wesen erzeugen kann? Über das Klonen wird man eines Tages vielleicht nur milde lächeln, zumal diese Technik bis heute kaum eine Bedeutung hat - allenfalls, um erfolgreiche Rennpferde zu multiplizieren oder überfahrene Katzen reicher Amerikaner auferstehen zu lassen.

Induzierbare Evolution

Doch noch ist es nicht so weit. Was die Forscher aus den USA und Frankreich nun präsentieren, ist - wie bei Dolly - ein Proof-of-Principle, es lässt das Mögliche erahnen.

Erstmals haben Forscher ein funktionsfähiges Chromosom eines höheren Organismus mit Zellkern, eines Eukaryoten, synthetisch hergestellt: das Chromosom III der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae.

Doch schon bald werden auch die restlichen 15 Hefe-Chromosomen erst am Computer modifiziert und dann im Labor erzeugt werden. Von da an ist es nur eine Frage der Zeit, bis auch das komplette Genom eines Säugetieres aus der Retorte kommt.

Der gensynthetische, genoptimierte Homo sapiens 2.0 - er lässt sich eines Tages in silicio entwerfen, weiterentwickeln, nach Belieben modifizieren und anschließend zum Leben erwecken. Ob wir das wollen und zulassen, ist eine andere Frage, aber eines steht fest: Wir werden es tun können, es gibt dafür keine unüberwindbaren technischen Hürden mehr.

Doch zunächst arbeiten die Forscher weiter mit Hochdruck an Saccharomyces cerevisiae 2.0, wie das Projekt offiziell heißt. In einer Mitteilung zur "Science"-Publikation wird das erste künstliche Eukaryoten-Chromosom bereits als "Mount Everest der synthetischen Biologie" beschrieben, aber diesen Begriff sollten wir vielleicht für den Tag reservieren, an dem erstmals ein vollsynthetisches Exemplar von Dollys Artgenossen in die Kameras blökt.

Viel eher wurden jetzt die Schuhe ausprobiert, mit denen man den Gipfel erklimmen will. Dabei demonstrierten die Forscher schon eindrucksvoll, was ihre Werkzeuge können.

Bis zu 4000 Basenpaare

Zunächst einmal haben sie das Hefe-Chromosom gründlich vom evolutionären Ballast entrümpelt, der sich im Lauf der Äonen dort angesammelt hat: alte retrovirale Sequenzen, Transfer-RNA-Codes, Introns, inaktive Genloci - all das wurde zunächst am Rechner aus der natürlichen Gensequenz entfernt.

Anschließend flankierten sie im virtuellen Chromosom solche Abschnitte, deren Funktion unklar ist, mit einer Schnittstelle: Die Bereiche lassen sich später in vivo gezielt herausschneiden. Damit können die Wissenschaftler feststellen, ob diese Abschnitte für die Funktion der Zelle wichtig sind und welche Bedeutung sie haben. Sie sprechen von "induzierbarer Evolution", weil sie evolutionäre Prozesse wie Gendeletionen nachahmen.

Ist ein solches Designer-Chromosom am Rechner erstellt, geht es an die Synthese: Zunächst werden Blöcke mit 750 Basenpaaren entsprechend der digitalen Vorlage aus Oligonukleotiden erzeugt, diese setzen die Forscher dann in der richtigen Reihenfolge zu Stücken (Minichunks) mit bis zu 4000 Basenpaaren zusammen.

Nun benötigen sie das ursprüngliche Hefechromosom: Sie kopieren die Minichunks durch Rekombination an verwandte Stellen auf das Chromosom, und zwar so lange, bis es nur noch aus den künstlichen Sequenzen besteht. Fertig ist das Kunstwerk.

Funktionsfähiges Designer-Chromosom

Ein solches Chromosom wurde nun also erzeugt und in der Hefe gegen ein natürliches ausgetauscht. Dabei ließen sich keine Unterschiede zur natürliche Hefe feststellen, auch wenn der Organismus unter Stress stand und unter schwierigen Bedingungen zurechtkommen musste. Wurden nun bestimmte Abschnitte über die eingebauten Schnittstellen entfernt, dann wuchsen die Zellen mal langsamer, mal schneller oder gar nicht.

Das Ziel solcher Forschung ist klar: Hefezellen können nun für bestimmte Zwecke optimiert werden, etwa, um bei der Gärung mehr Alkohol zu produzieren. Solche Veränderungen waren auch bisher möglich, indem einzelne Gene oder Gensequenzen manipuliert wurden.

Die Auswirkungen solcher punktuellen Veränderungen sind jedoch limitiert. Mit der De-novo-Synthese ganzer Chromosomen lassen sich dagegen alle denkbaren Veränderungen erzeugen - bis zur Synthese neuer Arten.

Ganz so schnell wird es allerdings nicht gehen: Das erste künstliche Hefechromosom hat gerade einmal 300.000 Basenpaare. Das kleine Y-Chromosom beim Menschen ist bereits 200-mal größer. Bis zum Mount Everest ist es also noch ein weiter Weg.