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Molekulares Schloss und Schlüssel zur Kontrolle von gentechnisch veränderten Organismen
Forschende der University of California in Berkeley haben eine einfache Methode entwickelt, um Bakterien molekularisch unter Verschluss zu halten und so eine unbeabsichtigte Ausbreitung zu Verhindern. Das Verfahren beruht auf einer Reihe von genetischen Veränderungen, welche die Bakterien nur in der Anwesenheit eines passenden Moleküls lebensfähig macht.
Die Forschungsarbeit erscheint diese Woche in der Fachzeitschrift ACS Synthetic Biology, eine Publikation der American Chemical Society. Gemäss dem Studienleiter J. Christopher Anderson könnte dieses Verfahren dereinst als biologischer Kontrollmechanismus für Organismen dienen, die mit Hilfe der Synthetischen Biologie oder der Gentechnik entstanden sind.
Die Forschenden haben mit dem häufig im Labor verwendeten Bakterienstamm E.coli gearbeitet und fünf Gene verändert, die für das Überleben des Mikroorganismus notwendig sind. Die Gene wurde dahingehend umgebaut, dass sie nur in Anwesenheit des Moleküls Benzothiazole funktionsfähig sind. „Dieses Vorgehen ist sehr stabil und einfach, da es nur wenige Veränderungen im Erbgut des Bakteriums erfordert“, erklärt Anderson. „Die Moleküle stellen sozusagen den Schlüssel dar, und wir fertigen im Erbgut das Schloss an.“
Der Hauptautor der Studie, Gabriel Lopez, vergleicht die Vorgehensweise mit dem Ausbau eines Autobestandteils: „Das Auto würde auch ohne Rückspiegel fahren, aber ohne Benzintank oder Ventilsteuerung würde es keine grossen Strecken zurücklegen. Bei Organismen ist es ähnlich. Gewisse Bestandteile sind wesentlich, andere nicht. Von den 4'000 Genen, die E.coli besitzt, sind etwa 300 lebensnotwenig. Was wir hier also tun ist, dass wir eine Handvoll notwendige Gene mit einem Zündschloss versehen. Ohne den richtigen Zündschlüssel kann das Bakterium nicht überleben.“
Diese Technik macht aus E.coli einen synthetischen auxotrophen Organismus, das heisst, dass die Bakterien einen bestimmten Stoff brauchen, um sich entwickeln zu können. Zukünftig könnte dieser Ansatz beispielsweise für gentechnisch veränderte Mikroorganismen im medizinischen Bereich verwendet werden. Werden diese als Arzneimittel in den Körper eingeführt, könnte man sie mit Hilfe des neuen Verschlussmechanismus nämlich nur dann aktivieren, wenn sie tatsächlich auch benötigt werden.
Lopez erläutert, dass das System dadurch sicherer gemacht wurde, dass mehrere Schloss-und-Schlüssel Kombinationen in einem Organismus vereint wurden. Gemäss der Studie führte das Aktivieren eines einzelnen Gens zu einer 100 Millionen-fachen Verbesserung der Lebensfähigkeit, das Aktivieren mehrere Gene sogar zu einer 10 Milliarden-fachen Verbesserung. „Dies ist nur ein Beispiel wie wir dieses System nutzen können. Ich hoffe aber, dass andere Forschende unsere Arbeit sehen und feststellen, dass dieser „Schloss-und-Schlüssel“ Ansatz auch bei anderen Proteinen und anderen Organismen angewendet werden kann.“, sagt Lopez.
Die Forschenden weisen darauf hin, dass bisher diskutierte biologische Kontrollmechanismen meistens auf einem Art Notschalter basieren, welcher aktiviert werden kann, um den Organismus zu vergiften. Dabei besteht aber die Gefahr, dass der Organismen sich evolutiv verändert und gegen das Gift resistent wird. Ihren Ansatz bezeichnen sie im Gegensatz dazu als schnell, günstig und einfach anwendbar. Die Autoren der Studie warnen aber auch davor, eine Universalmethode für die biologische Einschliessung finden zu wollen. „Wir müssen für jede Anwendung einzeln anschauen, wo die kritischen Punkte sind, um den passenden Biokontrollansatz zu wählen“, sagt Anderson. So eigne sich der „Schloss-und-Schlüssel“ Ansatz beispielsweise nicht, um den horizontalen Transfer von DNA Sequenzen zu verhindern, d.h. die versehentliche Übertragung von einem Organismus auf einen anderen. Zudem wurde das Verfahren dazu entwickelt, um die unbeabsichtigte Verbreitung von gentechnisch veränderten Organismen zu verhindern. Es biete hingegen wenig Schutz vor einer beabsichtigten Umgehung der Sicherheitsvorkehrungen. „Wir werden nie in der Lage sein, verhindern zu können, dass eine Person aktiv die Sicherheitssysteme zu durchbrechen versucht“, sagt Lopez. „Sogar wenn wir heute eine Lösung dafür finden könnten, werden in 10 Jahren verbesserte Methoden und mehr Wissen zur Verfügung stehen; diese abzusichern wird sehr schwierig sein.“
Der Text wurde übersetzt und angepasst von der Medienmitteilung der University of California at Berkeley.