zum Inhalt springen
Powered by

Mykoplasmen als Modelle von Minimalzellen

Bakterien der Gattung Mycoplasma gehören zu den kleinsten selbstreplizierenden Zellen und dienen als Modellorganismen der Synthetischen Biologie, um essenzielle Lebensfunktionen auszuloten und um als Chassis für neuartige maßgeschneiderte Biosynthesen herzuhalten. Auch Heidelberger Wissenschaftler sind an vorderster Front an der Erforschung der Mykoplasmen als Minimalorganismen beteiligt.

Mycoplasma genitalium © biotechnologie.de

Die Konstruktion von Zellen mit einem „Minimalgenom" ist eines der Hauptanliegen der Synthetischen Biologie. Solche Zellen sollen nur die für die Lebensfunktionen absolut unabdingbaren Komponenten enthalten, ihr Genom besteht nur aus den für das Leben unverzichtbaren sogenannten essenziellen Genen. Aus ihrer Analyse erhoffen sich die Forscher Auskunft auf Fragen, was das Leben ist, welche Komponenten unter definierten Bedingungen jeweils zum Überleben erforderlich sind und wie die evolutionäre Anpassung der Zellen an ihre Umwelt erfolgt. Zum anderen sollen Minimalzellen als Plattform dienen, um darauf maßgeschneiderte neue Funktionen aufzubauen. Der dafür benutzte, aus dem Fahrzeugbau entlehnte Begriff „Chassis", zeigt, dass sich die Synthetische Biologie als Technikwissenschaft versteht.

Die kleinsten Zellen

Bakterien der Gattung Mycoplasma gelten als besonders geeignete Modellorganismen für das Ziel, Minimalzellen zu analysieren und mit den Methoden der Synthetischen Biologie im Labor herzustellen. In diesen Tagen sind sie sogar in die Schlagzeilen der Massenmedien mit J.C. Venters spektakulärer Mitteilung über die erste im Labor synthetisierte Zelle (s. Artikel "Ingenieure des Lebens") gekommen. Venter und seine Mitarbeiter Clyde Hutchinson und Hamilton Smith hatten schon 1995 bei der Veröffentlichung der Genomsequenz von Mycoplasma genitalium, als der Begriff Synthetische Biologie noch nicht geläufig war, das Ziel der Synthese von Minimalorganismen zu Produktionszwecken für den Menschen benannt.

1995 galt M. genitalium mit einer Genomlänge von 580 Kilobasenpaaren (kbp) als kleinster selbstreplizierender Organismus. Später sind noch kleinere gefunden worden: Nanoarchaeum equitans (490 kbp), eine auf anderen Archaeen lebende Archaee heißer Quellen („black smoker") in den Tiefen der Ozeane; Buchnera aphidicola (420 kbp), ein Symbiont oder Parasit von Blattläusen (Aphidae). Seit 2006 hält Carsonella ruddii, ein Endosymbiont von Blattflöhen (Psyllidae), mit ca. 160 kbp den Rekord des kleinsten Genoms eines Lebewesens; dieses Genom ist nicht größer oder sogar kleiner als das mancher Pockenviren. Bei all diesen Kleinstorganismen handelt es sich um Symbionten oder Parasiten, die wesentliche Stoffwechselfunktionen, zum Beispiel die Synthese von Lipiden, nicht selbst ausüben können, sondern von ihrem Wirt beziehen. Mycoplasmen haben den Vorteil, dass sie relativ leicht auf mit Serum angereicherten Nährmedien im Labor kultiviert werden können.

Mycoplasma genitalium vs. Mycoplasma pneumoniae

Prof. Dr. Richard Herrmann, im Ruhestand. © ZMBH

Die Sequenzierung des M.-genitalium-Genoms war der Beginn von Venters Minimalgenomprojekt, das zwölf Jahre später in die Synthese dieses Genoms aus vorgefertigten Bausteinen einmündete. Damit war ein wichtiger Meilenstein der Synthetischen Biologie erreicht (eines Begriffes, der zwar schon 1912 als „la biologie synthétique" von dem französischen Biologen Stéphane Leduc geprägt worden war, aber erst ab etwa 2000 geläufig wurde). Hier soll aber hervorgehoben werden, dass 1996, fast zeitgleich, das Genom von Mycoplasma pneumoniae von Heidelberger Wissenschaftlern sequenziert worden war. Das Team von Richard Herrmann am Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg (ZMBH) hatte etwa drei Jahre lang an der Entschlüsselung dieses Genoms gearbeitet. Es ist 816 kbp groß und kodiert für 689 Proteine, von denen bei 458 die Funktion vorhergesagt werden konnte.

Wie sich herausstellte, sind alle proteinkodierenden Sequenzen (genauer gesagt: „Offene Leseraster" oder „open reading frames", ORFs), die für M. genitalium beschrieben worden sind, auch in dem größeren Genom von M. pneumoniae enthalten. Von den übrigen, nicht in M. genitalium vorkommenden ORFs waren gut die Hälfte spezifisch für M. pneumoniae, während andere Amplifikationen vorhandener Gene darstellten. Der Vergleich liefert wertvolle Informationen über die lebensnotwendigen Genomstrukturen und evolutionären Anpassungen der Zellen an ihre Umwelt.

Dr. Peer Bork © EMBL

In jüngster Zeit haben Forschungsgruppen um Peer Bork und Anne-Claude Gavin  am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium in Heidelberg (EMBL) sowie Luis Serrano (heute Centre Regulacio Genómica, Barcelona, Spanien) bei M. pneumoniae die von der bekannten Genomstruktur abhängige Regulation der Transkription, des Stoffwechsels und die Organisation des Proteoms systematisch untersucht. Sie wählten M. pneumoniae als Modell, weil es „komplex genug ist, um auf sich gestellt zu überleben, aber klein und (theoretisch) einfach genug, um eine Minimalzelle zu repräsentieren – und eine umfassende Analyse zu erlauben“ (EMBL, 27.11.09).

Dr. Anne-Claude Gavin © EMBL

Die in drei Artikeln in der Zeitschrift „Science“ veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Transkription und ihre Regulation wesentlich komplexer sind, als man bisher für einen Minimalorganismus angenommen hatte. Trotz seines kleinen Genoms und der relativ geringen Zahl von Transkriptionsfaktoren reagiert M. pneumoniae unglaublich flexibel auf selbst drastisch veränderte Umweltbedingungen. Es ist in seiner Anpassungsfähigkeit wesentlich größeren und komplexeren Bakterien keineswegs unterlegen. Die Wissenschaftler fanden außerdem, dass überraschend viele Proteine multifunktionelle Eigenschaften besitzen, darunter auch Interaktionen zwischen Proteinkomplexen, mit denen sie nicht gerechnet hatten.

Kein Umsturz im Weltbild der Biologie

Als das Team um Craig Venter daran ging, nach der Synthese des M.-genitalium-Genoms den logischen nächsten Schritt der Synthetischen Biologie zu vollziehen, nämlich den Einbau des synthetischen Genoms in eine DNA-freie Bakterienzellhülle, stießen sie auf überraschende Schwierigkeiten. M. genitalium wächst für ein Bakterium sehr langsam, und so entschieden sich die Forscher schließlich, auf ein anderes Bakterium überzuwechseln. M. mycoides hat zwar ein wesentlich größeres Genom (ca. 1 Mio. kbp), wächst aber auch viel schneller. Im vergangenen Jahr gelang es, dieses Genom in eine Hefezelle zu transferieren und dort zu modifizieren. Das veränderte M.-mycoides-Chromosom wurde schließlich in ein verwandtes Bakterium, M. capricolum, als Empfängerzelle transplantiert, bei der das Gen für ein Restriktionsenzym entfernt worden war. Nach Inkubation entstanden Zellen, deren DNA ausschließlich aus dem modifizierten M.-mycoides-Genom bestand.

Dieselbe Strategie wurde jetzt mit einem komplett chemisch synthetisierten M.-mycoides-Genom verfolgt. Der Zusammenbau dieses Genoms erfolgte in einem dreistufigen Prozess in Hefezellen mit 1.078 jeweils 1.080 Basenpaare (bp) langen DNA-Streifen (80 bp immer als überlappende Sequenzen), die von einer amerikanischen DNA-Synthese-Firma (Blue Heron Biotechnology) geliefert wurden. Dieser Erfolg „verändert meine Betrachtung des Lebens und seiner Funktionsweise“, betonte Venter gegenüber der Nachrichtenagentur AFP. Für die meisten Molekularbiologen werden diese Experimente aber keinen Umsturz ihres Weltbildes bewirken. Die großartige technische Leistung muss man bewundern. Aber dass es für die Funktion der Zelle im Prinzip egal ist, ob die DNA aus biologischem Material stammt oder durch chemische Synthese hergestellt wurde, dürfte nicht überraschen.

Was ist minimal?

Wie groß das Minimalgenom sein muss, damit eine Zelle lebendig ist, wissen wir durch diese Experimente auch nicht; zunächst einmal hat man für sie das Genom wieder vergrößert. Auf der Suche nach der zellulären Minimalausstattung hatte man bei M. genitalium immer mehr Gene ausgeschaltet, und die Zellen lebten trotzdem weiter – irgendwie. Neuerdings wird eine Zahl von ca. 110 kbp als untere Grenze gehandelt - vergleiche das oben erwähnte Bakterium Carsonella ruddii. Es spricht aber manches dafür, dass es nicht ein Minimalgenom gibt, sondern dass es je nach Zelle und den Bedingungen, unter denen sie lebt, immer wieder neu definiert werden muss. Die enorme Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, die man selbst bei den Mykoplasmen gefunden hat, wirft für das Konzept des Minimalgenoms weitere zunächst verwirrende Fragen auf.

Publikationen:

Kühner S, van Noort V, Bewtts MJ etr al. (2009) Proteome organization in a genome-reduced bacterium. Science 326:1235-1240

Yus E, Maier T, Michalodimitrakis K et al. (2009) Impact of genome reduction on bacterial metabolism and ist regulation. Science 326: 1263-1268

Güell M, van Noort V, Yus E et al. (2009) Transcriptome complexity in a genome-reduced bacterium. Science 326: 1268-1271

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/mykoplasmen-als-modelle-von-minimalzellen