Ein Team des internationalen
Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0-Projekt) hat den Abschluss der
De-novo-Rekonstruktion und -Synthese von fünf weiteren Chromosomen
der Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) – die Chromosome II, V, VI, X
und XII – bekannt gegeben. Die Forscher führten zudem eine tiefer
gehende, multi-dimensionale Analyse des Hefestrangs durch und konnten
bestätigen, dass der Phänotyp des synthetisch hergestellten
Hefestrangs mit demjenigen des natürlich vorkommenden Strangs
übereinstimmt. Das Forscherteam von BGI („BGI“), eines der
beteiligten chinesischen Unternehmen, war beim Abschluss der
Rekonstruktion und Synthese von Chromosom II, das über 770
Kilobasenpaare verfügt, federführend und steuerte die Transformation
des Chromosoms in eine Hefezelle bei, was wiederum zu einem
synthetischen Strang führte, der im Hinblick auf die Lebensfähigkeit
mit dem natürlich vorkommenden Strang übereinstimmt. Die komplette
Studie wurde am 9. März als Titel-Geschichte in der Sonderausgabe des
Wissenschaftsmagazins Science veröffentlicht.

Das Sc2.0-Projekt folgt der bahnbrechenden Arbeit an der Synthese
des Mykoplasma-Genoms aus dem Jahr 2010 und ist ein weiteres
bemerkenswertes Projekt in der Forschung zur synthetischen Genomik.
Hinter dem Sc2.0-Projekt steht ein Konsortium aus einem Dutzend von
führenden Labors aus den USA, dem Vereinigten Königreich, China,
Frankreich, Singapur und Australien, die sich der Erforschung der
Hefe widmen. Das Projekt hat sich selbst das ambitionierte Ziel
gesetzt, bis zum Jahr 2018 das erste künstliche Hefegenom (16
Chromosome ~14 Megabasenpaare) herzustellen. Dank der Unterstützung
des chinesischen National High Technology Research and Development
Program (das „863“-Programm) haben chinesische Wissenschaftler einen
entscheidenden Beitrag zu dem Projekt leisten können. Daran beteiligt
waren drei führende chinesische Einrichtungen: BGI, die
Tianjin-Universität und die Tsinghua-Universität. Der Initiator und
Leiter des Sc2.0-Projekts, Prof. Jef D. Boeke, sagte dazu: „Die
Zusammenarbeit mit den chinesischen Kollegen von BGI sowie von der
Tianjin- und der Tsinghua-Universität hat das Sc2.0-Projekt
grundlegend verändert. Die Mittel, die für dieses riesige und
komplexe Projekt in Form von Finanzhilfen, modernsten
Forschungseinrichtungen und, was das wichtigste ist, in Form von
Personal, wozu einige der innovativsten Wissenschaftler beim Sc2.0
gehören, in Anspruch genommen werden können, sind einfach umwerfend.“

Als Teil des chinesischen Teams war BGI bei der kompletten
Rekonstruktion und Synthese von Chromosom II (mit einer Länge von 770
Kilobasenpaaren) federführend. Der so erzeugte Strang weist eine
Lebensfähigkeit auf, die in hohem Maße mit derjenigen des natürlich
vorkommenden Strangs übereinstimmt. Das BGI-Team verwendete dabei
einen „Trans-Omics“-Ansatz, um die Genotyp-Phänotyp-Korrelation des
synthetischen Hefestrangs im Hinblick auf den Phänotyp, das Genom,
das Transkriptom, die Proteomik und die Stoffwechselprozesse zu
identifizieren. Yue Shen, Hauptautor des synII-Artikels und Leiter
der Genome Synthesis and Editing Platform bei der China National
GeneBank, sagte: „Das Sc2.0-Projekt sorgt nicht nur für eine rasche
Entwicklung der Technik, sondern bietet uns zudem die Möglichkeit,
mit international führenden Teams zusammenzuarbeiten, wodurch wir
gemeinsam mehr über die Technik zur Genomsynthese lernen und womit
wir diese beherrschen können. Wir verfügen mittlerweile über ein
fundiertes Wissen über den Modellorganismus Hefe, was uns dabei
helfen wird, das Potenzial für industrielle Anwendungen zu
erforschen.“

Das Team hat außerdem, im Rahmen von Tests zu den physiologischen
Funktionen, wie etwa Zellreplikation und Zellteilung, mit der
Universität von Edinburgh zusammengearbeitet. Die Ergebnisse deuten
darauf hin, dass das künstliche S. cerevisiae-Genom in hohem Maße
modifizierbar ist und über eine große Flexibilität für das Hinzufügen
und Entfernen von DNA-Elementen verfügt. Dieser Erfolg beim Nachbau
des eukaryotischen S. cerevisiae-Genoms ist, nachdem das synthetische
prokaryotische Genom vervollständigt werden konnte, ein weitere
Meilenstein auf dem Weg hin zur Erschaffung künstlichen Lebens. Der
mitverantwortliche Autor des synII-Artikels und Leiter des Teams an
der Universität von Edinburgh, Dr. Yizhi Cai, kam zu dem gleichen
Schluss: „Wir haben es hier mit einem wichtigen Meilenstein für die
synthetische Biologie und Biotechnologie zu tun. Es ist ein echter
Beleg für unsere hervorragenden Fähigkeiten bei den
Bio-Ingenieurwissenschaften auf Ebene der Chromosome, und wir hätten
dieses Niveau wohl kaum ohne die großartige Zusammenarbeit unserer
internationalen Sc2.0-Teams erreicht. Ich freue mich auf die weitere
Zusammenarbeit mit diesen ausgezeichneten Teams, mit deren Hilfe wir
das ganze synthetische Hefegenom in den kommenden Jahren
vervollständigen können.“

2014 konnte das erste von 16 Chromosomen künstlich hergestellt
werden (synIII), womit ein erster wichtiger Schritt gemacht war. Der
nächste Schritt erforderte eine internationale Anstrengung, um in
einer gemeinsamen Arbeit die anderen 15 Chromosomen, die zur
Erzeugung des ersten vollständig künstlich hergestellten Hefegenoms
benötigt werden, zu synthetisieren. Dieses internationale
Sc2.0-Projekt hat jetzt einen bedeutenden Meilenstein erreicht. Das
Sc2.0-Team aus Wissenschaftler, die eng zusammenarbeiten, ist davon
überzeugt, dass man durch die Rekonstruktion des S. cerevisiae-Genoms
zu einem tieferen Verständnis der biologischen Mechanismen und der
Reaktion von Organismen sowie von deren Anpassungsfähigkeiten und
evolutionären Prozessen in unterschiedlichen Umgebungen gelangen
kann. Das Team hofft, dass die Ergebnisse des Sc2.0-Projekts der Welt
dabei helfen werden, die großen Probleme im Hinblick auf Gesundheit,
Ernährung, Energieversorgung und Umweltverschmutzung zu lösen.

Und ganz offensichtlich ist dieser Durchbruch für die
internationalen Teams ein großer Ansporn. Es zeigt sich einmal mehr
die Stärke der internationalen Zusammenarbeit bei wissenschaftlichen
Großprojekten: Die Einbindung von Mitteln und speziellen Kompetenzen
erleichtert den Abschluss einer eigentlich unmöglichen Aufgabe.
Ebenso sieht es der Co-Autor des synII-Artikels, Mitgründer und
Vorstandsvorsitzender von BGI, Prof. Huanming Yang, der abschließend
sagte: „Die in diesem Projekt in den vergangenen Jahren erreichten,
bahnbrechenden Ergebnisse zeigen, wie wichtig die internationale
Zusammenarbeit für die Wissenschaft ist. Dieses internationale
Projekt bietet unserem jungen Team eine großartige und einmalige
Chance, besser zu werden und eine Vorstellung davon zu bekommen,
wohin die Reise auf diesem Gebiet geht, und sie lernen den Geist
kennen, der bei der internationalen Zusammenarbeit herrscht.“

Pressekontakt:
Yue Shen
shenyue@genomics.cn
+ (86)-755 3394-5531

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