Das computersimulierte und im Labor hergestellte Chromosom wurde zur Grundlage des künstlichen Lebens.
Um die Phänotypen von natürlichen und synthetisierten (JCVI-syn1.0) Bakterienstämmen zu vergleichen, wurde X-gal, ein organischer Indikator, der das Vorhandensein des lacZ-Gens in der Zelle nachweisen kann, zu den Proben gegeben. Synthetische Zellen, die dieses Gen enth alten, wandeln X-Gal in Blau um (a), während natürliche Zellen weiß bleiben (b).
In einer am 20. Mai auf der Science-Website veröffentlichten Veröffentlichung präsentierten Forscher des J. Craig Venter Institute (JCVI) die Ergebnisse einer erfolgreichen Arbeit zur Herstellung der ersten synthetischen selbstreplizierenden Zellen. Die Gruppe synthetisierte ein 1080 kb großes Chromosom des Bakteriums Mycoplasma mycoides mit verändertem Genom. Die synthetisierten Zellen wurden Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 genannt. Diese Arbeit bewies, dass das Genom auf einem Computer entworfen, im Labor nachgebildet und in eine lebende Zelle transplantiert werden kann, was zu einem Organismus „unter der Kontrolle“eines künstlichen Genoms führt.
Die Arbeit an der Schaffung von Zellen mit einem künstlichen Genom wird seit fast 15 Jahren von Spezialisten des JCVI durchgeführt. Um den letzten Schritt des Prozesses abzuschließen, modellierten die Wissenschaftler das Genom des Bakteriums M. mycoides sorgfältig digital. Sie mussten 1078 Nukleotidsequenzen erstellen, von denen jede aus 1080 Basenpaaren bestand.
Auf der Grundlage einer zuvor entwickelten Technik zum „Zusammensetzen“des Genoms in einer Hefezelle haben Wissenschaftler aus DNA-Fragmenten ein künstliches Chromosom geschaffen. Dieses Chromosom wurde später aus einer Hefezelle isoliert und in eine Zelle des Bakteriums Mycoplasma capricolum eingebracht, aus der zuvor Restriktionsendonucleasen, intrazelluläre „Wächter“, die ein Fragment fremder DNA zerstören können, entfernt wurden.
Nach der Einführung von DNA mit einem synthetischen Genom in die Zelle wurden genetische Informationen von DNA auf RNA (Transkription) und dann von RNA auf neue Proteine übertragen. Das ursprüngliche Genom von Mycoplasma capricolum wurde entweder durch „neue“Restriktionsendonucleasen zerstört oder während der Zellvermehrung verdrängt. Nach zwei Tagen waren lebensfähige Bakterien mit künstlichem Genom in Petrischalen mit Nährmedium deutlich sichtbar.
Lange Zeit führte die Synthese eines künstlichen Genoms nicht zum Auftreten lebensfähiger Zellen. Das JCVI-Team musste eine Methode zur Überprüfung und Korrektur von Fehlern entwickeln: Wissenschaftler erstellten halbsynthetische Genome, indem sie natürliche und künstliche DNA-Fragmente kombinierten, und testeten die Lebensfähigkeit des Ergebnisses. Die kleinste Ungenauigkeit führte zum Totalausfall, aber als alle Fehler korrigiert waren, war das erste Bakterium mit einem künstlichen Genom geboren.
Wissenschaftler sind nun bereit, an ihrer nächsten Herausforderung zu arbeiten - der Schaffung einer vollständig synthetischen Zelle, die nur die Gene enthält, die notwendig sind, um das Leben in seiner einfachsten Form zu erh alten.
In ihrer Veröffentlichung von 2008 über die Synthese des M. genitalium-Genoms beschrieben Forscher die Möglichkeit, im Genom eingeschlossene „Wasserzeichen“zu erzeugen. Diese speziell entworfenen DNA-Segmente verwenden ein "Alphabet" aus Genen und Proteinen, das es dem Forscher ermöglicht, Wörter und ganze Sätze zu kodieren." Wasserzeichen" sind ein wichtiges Mittel, um festzustellen, ob ein Genom künstlich oder natürlich ist, sowie um das Herkunftslabor zu identifizieren. Wissenschaftler von JCVI versäumten es nicht, das neue Genom mit ihrem Namen, ihrer E-Mail-Adresse und drei Zitaten zu versehen: „Live, irre, fall, triumph, recreate life from life“– J. Joyce; „Die Dinge nicht so sehen, wie sie sind, sondern wie sie sein könnten“– ein Zitat aus dem Buch „American Prometheus“; „Was ich nicht bauen kann, kann ich nicht verstehen“– R. Feynman.
Wissenschaftler erwarten, dass ihre Technik zur Erzeugung von Mikroorganismen für Umwelt- und Energiezwecke verwendet wird. Die Verbreitung der Technologie wird zu vielen neuen Anwendungen wie Biokraftstoffen, Impfstoffen, Wasseraufbereitung, Pharma- und Lebensmittelindustrie führen.
Seit Beginn der Arbeiten zur Schaffung eines künstlichen Genoms sahen sich Dr. Venter und sein Team mit einer Reihe sozialer Probleme konfrontiert, insbesondere mit ethischen Aspekten.1995 wurde die Leitung einer ethischen Prüfung an der Pennsylvania State University unterzogen, die entschied, dass aus ethischer Sicht keine Hindernisse für die Fortsetzung der Forschung bestehen.
Laut JCVI-Pressemitteilung
