Minimalgenom

von Petra Stöcker (Laborjournal-Ausgabe 05, 2003)

Wie viele Gene benötigt zelluläres Leben mindestens?

In unbedarften Zeiten bevor Genom-Sequenzierungen modern wurden, vertraute man darauf, dass Mutter Natur ihre Arbeit zum Besten erledigt hat und im Zuge der natürlichen Selektion jedes Individuum mit einem ausreichenden Satz an Genen versehen hat, um in entsprechender Umgebung gut über die Runden zu kommen. Nicht mehr und nicht weniger. Schon Kant wußte, dass nichts beständiger als die Unbeständigleit ist, also wird munter weiter abgespeckt.

Welche Ansprüche stellt eine Zelle, um zu überleben? In paradiesischer Laborumgebung mit ausreichendend Nährstoffen, wohlig temperiert und fernab widrigen Wettbewerbs reichen funktionierende Systeme für Transkription, Translation und Replikation neben Material für Zellwandbestandteile und minimalste Transporteinheiten. Das Resultat wäre eine Zelle mit praktisch null DNA-Reparaturmöglichkeiten. Nicht unbedingt rosige Zukunftsaussichten für das Kerlchen in freier Wildbahn.

Die Veröffentlichungen der ersten kompletten Nukleotid-Sequenzen zweier parasitischer Bakterien, Haemophilus influenzae (1830 kbp) (Science 269, S. 496) und Mycoplasma genitalum (580 kbp) (Science 270, S. 397) im Jahre 1995 brachten zunächst die theoretische Konstruktion eines Minimalgenoms in´s Rollen. Dabei hielt man sich an das Motto: was wichtig ist, wird über Generationen wiederholt – das war schon zu Schulzeiten so.


Viel hilft viel?

Bei einem Vergleich der Erbanlagen dieser phylogenetisch weit voneinander entfernten Bakterien stieß man auf eine Schnittmenge von 256 orthologen Genen. Kleine Wiederholung: orthologe Gene kommen in verschiedenen Organismen (z. B. Fliege, Maus) vor und weisen eine hohe Übereinstimmung ihrer Basensequenz auf. Sie gelten als Erbstücke eines gemeinsamen Vorfahren. Diese berechnete Schnittmenge enthält etwa fünf Prozent "Nonorthologous Gene Displacements", NODs. Dabei wird ein und dieselbe Genfunktion von nicht-orthologen oder nur entfernt verwandten Proteinen ausgeführt. Die Zahl ist außerdem korrigiert um spezifische Gene parasitischer Bakterien.

Zahlreiche komplett veröffentlichte Sequenzen später erweiterte man diesen simpel anmutenden Vergleich um die Zuhilfenahme von COGs aus über 20 bekannten Genomen. Kleine Wiederholung, die zweite: COGs sind "clusters of orthologous groups of proteins", also Gruppen von mindestens drei konservierten Proteinen aus Genomen verschiedener Organismen mit gleichen Vorfahren, die untereinander in ihrer Funktion übereinstimmen. Das Ergebnis läßt aufhorchen: es ähnelt sehr demjenigen aus dem Vergleich von nur zwei Spezies.

Schnöde Theorie, doch wie verhält es sich in der Laborpraxis ? Das Zauberwort hier heisst: "global transposon-mediated knockout mutagenesis", wobei willkürlich Transposons mitten in Gene platziert werden, um deren Funktion zu zerstören. Ist die erhaltene Mutante im Labor lebensfähig, war das ausgeknockte Gen wohl nicht essentiell.


Knockout-Zwerge

Wissenschaftler um Dusko Ehrlich vom Institut National de la Recherche Agronomique in Paris versuchten sich mit dieser Methode an der Bodenmikrobe Bacillus subtilis. Der gemeine Heubazillus verfügt normalerweise über stolze 4100 Erbanlagen. Das Ergebnis der Knockout-Studie: das Bakterium kann mit einem spartanischen Erbgut von 271 Genen überleben (PNAS 100, S. 4678).

Bei dem eubakteriellen Rekordzwerg Mycoplasma genitalum mit normalerweise 480 Genen und seinem Verwandten Mycoplasma pneumoniae (689 Gene) identifizierte Clyde Hutchisons Team vom Institute for Genomic Research (TIGR) in Rockville ganze 1354 unterschiedliche Transposon-Insertionen, die die Eubakterien locker wegsteckten, ohne daran zugrunde zugehen. (Science 286, S. 2165). Lediglich 265-350 der 480 Protein-kodierenden Gene sind unter Laborbedingungen für M. genitalum überlebenswichtig, darunter etwa 100 Gene mit bisher unbekannter Funktion. Computeranalysen und experimentelle Studien offenbaren, dass sogar einige während der Evolution hochkonservierte Gene für eine Zelle entbehrlich sein können – unter besten Laborbedingungen wohlgemerkt.

Ein großer Stolperstein auf dem Weg zur Zelle mit einem Minimal-Set an Genen sind redundante Genfunktionen. Wird ein Gen ausgeschaltet, muss nicht unbedingt auch seine zugehörige Funktion ausfallen. Diese kann von einem anderen Gen übernommen werden.


Chromosomen nach Maß

Um diese Schwäche herkömmlicher reduktiver Ansätze in den Griff zu bekommen, plant Craig Venter, das Pferd von hinten aufzuzäumen. Am vo n ihm in Rockville gegründeten Institut für Biological Energy Alternatives (IBEA) arbeiten rund 25 Wissenschaftler daran, ein minimalistisches Genom von Grund auf chemisch zu synthetisieren. Modellorganismus auch hier: Mycoplasma genitalum. Die in vitro konstruierten Chromosomen sollen in eine Mycoplasma-Zelle eingesetzt werden, der zuvor das Original-Erbgut entfernt wurde.

Ein Traum (schlafloser) wissenschaftlicher Nächte ist, solch eine Blankozelle dann mit zusätzlichen Genen auszustatten, die den Organismus je nach gusto zum kontrollierbaren Helferlein umfunktionieren. Denkbar wäre zum Beispiel ein Treibstoff-produzierendes Bakterium oder Mikroben, die bestimmte Umweltgifte unschädlich machen.

Edle Gedanken, erhitzte Gemüter, die um die notwendige Sicherheit bei all dem Treiben bangen. Und findige Köpfe mit dem Leitgedanken: in der (DNA-) Kürze liegt die (Lebens-) Würze. Auch eine Art Ursuppe.

Letzte Änderungen: 20.10.2004