Kombinierbar wie Legosteine – Forscher entwickeln Gen-Baukasten für Grünalgen

Ein internationales Forscherteam um Juniorprofessor Dr. Felix Willmund (links) und Professor Dr. Michael Schroda haben einen Gen-Baukasten für die Grünalge entwickelt. (Foto: Koziel/TUK)

Die Grafik zeigt, wie der Baukasten funktioniert. Die einzelnen Gen-Bausteine lassen sich wie Legos kombinieren. (Foto: Schroda)

Im Erbgut der Zellen geht es ähnlich zu wie in Fabriken: Gene steuern und regulieren die Protein-Produktion. In der Industrie ist dabei oft ein Baukasten-Prinzip sinnvoll, bei dem sich Fertigungsstraßen austauschen lassen, wenn ein anderes Produkt hergestellt werden soll. Auch Forscher arbeiten daran, Gen-Bausteine wie Legosteine unterschiedlich zu kombinieren. Einen solchen Bausatz mit 119 Gen-Funktionseinheiten für eine Grünalge hat nun ein internationales Forscherteam mit Kaiserslauterer Biologen erstellt. So lassen sich aus den Algen Minifabriken bauen, die etwa Farbpigmente oder medizinische Wirkstoffe herstellen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ erschienen.

Legosteine gibt es in vielen verschiedenen Größen, Farben und Formen. Sie lassen sich beliebig zusammensetzen. Ähnlich wie bei diesen kleinen Bausteinen möchten Forscher auch Teile von Genen kombinieren.

Ein Gen besteht aus verschiedenen Funktionseinheiten. So gibt es am Anfang einer Gensequenz zum Beispiel den sogenannten Promotor. „Er steuert die Aktivität des Gens und sorgt dafür, dass nur eine bestimmte Menge an Protein gebildet wird oder dass das Gen nur eine bestimmte Zeit abgelesen wird“, sagt Professor Dr. Michael Schroda, der an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) den Lehrstuhl für „Molekulare Biotechnologie und Systembiologie“ innehat.

Das Team um Schroda arbeitet daran, Gene in diese einzelnen Einheiten zu zerlegen. Neben dem Promotor gibt es noch einen Lesebereich mit der genetischen Information, der sich in viele funktionelle Blöcke unterteilen lässt: Zum Beispiel solche, die ein Protein in bestimmte Bereiche in der Zelle dirigieren, es zum Leuchten bringen oder mit denen es sich einfach aus Zellextrakten herausziehen lässt. Auch gibt es einen Stopp-Bereich, in dem das Ablesen der genetischen Information endet. „Unser Ziel ist es, solche Einheiten von verschiedenen Genen beliebig zu kombinieren“, sagt der Professor weiter.

In seiner aktuellen Studie ist es dem internationalen Forscherteam, darunter die Arbeitsgruppen von Schroda und seinem Kaiserslauterer Kollegen Juniorprofessor Dr. Felix Willmund, nun gelungen, einen Bausatz aus 119 genetischen Funktionseinheiten für die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii herzustellen. Ähnlich wie Legosteine lassen sich diese genetischen Bausteine einfach zusammensetzen. „Das ist möglich, weil diese Bausteine genormt sind. Sie besitzen immer definierte Sequenzen an ihren Enden, sodass sie in einer bestimmten Reihenfolge zusammengebaut werden können“, erläutert der Kaiserslauterer Biologe.

Das Besondere an der Studie: Bei der Alge handelt es sich um einen höheren Organismus – einen Eukaryonten wie es im Fachjargon heißt. Bislang gab es solche Baukästen eher für niedere Organismen wie Bakterien. „Die Grünalge ist viel komplexer und besitzt zum Beispiel mehr Gene“, sagt Juniorprofessor Willmund, der zur Eukaryontengenetik forscht. „Genauso wie Bakterien vermehrt sie sich aber sehr schnell, was sie auch für eine industrielle Produktion interessant macht.“

Die Grünalgen könnten zum Beispiel als Mikrofabriken zum Einsatz kommen. „Mithilfe des Gen-Bausatzes kann man in relativ kurzer Zeit verschiedene Proteine herstellen, das geht beispielsweise von Farbpigmenten bis hin zu Wirkstoffen, die in der Medizin Verwendung finden“, sagt Willmund. Aber auch für die Grundlagenforschung ist die Methode interessant. „Damit können wir Stoffwechselwege einfach umbauen und genauer untersuchen“, nennt Schroda als Beispiel.

Schroda forscht auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie. Bei diesem noch relativ jungen Forschungsgebiet geht es unter anderem darum, neue biologische Systeme zu erzeugen und Kenntnisse aus den Ingenieurwissenschaften auf molekulare Prozesse zu übertragen.

Dabei werden auch Standards und Normen festgelegt, wie dies etwa bei den Enden der Gen-Bausteine der Fall ist. Dadurch sind diese als Module einfach in der Handhabung und beliebig kombinierbar.

Die Arbeiten fanden im Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) „The Green Hub – Der Chloroplast als Zentrum der Akklimatisierung bei Pflanzen“ statt. Er wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft seit 2016 gefördert. Hierbei gehen Forscherteams aus Berlin, Potsdam-Golm, München und Kaiserslautern der Frage nach, wie Pflanzen es schaffen, sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen.

An der Studie waren neben den Kaiserslauterer Forschern auch Kollegen aus Frankreich, England, Dänemark, Spanien und Bielefeld beteiligt. Die Arbeit ist in der renommierten Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ erschienen: „Birth of a photosynthetic chassis: MoClo toolkit enabling synthetic biology in the microalga Chlamydomonas reinhardtii“

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251