DNA kommt bald aus dem Labordrucker

Aus einem ziemlich zähen Versuch eines Studentenwettbewerbs wurde eine Erfindung, die zahlreiche Branchen revolutionieren könnte: Zusammen mit Kollegen hat ein Student der Technischen Universität Darmstadt einen Prozess entwickelt, mit dem sich künstliche DNA schneller und kostengünstiger herstellen lässt als bisher. Damit haben Forscher ein bereits seit 40 Jahren bestehendes Problem der synthetischen Biologie nahezu gelöst.  

Eigentlich wollte Sebastian Palluk, Student an der Technischen Universität Darmstadt, das Erbgut von E. coli-Bakterien so umbauen, dass sie Plastik abbauen können. Während der Laborarbeiten im Rahmen eines Studentenwettbewerbs wurde Palluk jedoch schnell klar: Die meiste Zeit benötigen er und seine Kommilitonen dafür, die dazu benötigten künstlichen DNA-Bausteinen herzustellen. Für die eigentlichen Abbau-Versuche blieb wenig Zeit.

Von der Natur abgeschaut

Nun haben sie das Problem an der Wurzel gepackt: „Wir haben einen neuen Weg gefunden, um DNA zu synthetisieren. Dabei nutzen wir Werkzeuge, die auch in der Natur vorkommen“, wird Palluk in einer Pressemeldung des kooperierenden Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien zitiert. Die neue Methode beruht auf einem DNA-synthetisierenden Enzym, das in Zellen des Immunsystems vorkommt. Dort kann es Nukleotide an ein bestehendes DNA-Molekül anheften. Das Ganze geschieht in einer wässrigen Lösung, in der DNA-Moleküle am stabilsten sind. Die Technik ist weitaus schneller und erzeugt längere DNA-Stränge als herkömmliche Methoden. „Dieser Ansatz ist vielversprechend, denn die natürlichen Enzyme haben sich seit Millionen von Jahren entwickelt, um genau diese chemischen Prozesse auszuführen“, so Palluk.

Die terminale Desoxynukleotidyltransferase verbessert Antikörper

Zellen synthetisieren ihre DNA nicht von Grund auf neu; sie kopieren die Erbinformation meist mit Hilfe verschiedener Polymerase-Enzyme, die auf vorhandene DNA-Templates in der Zelle aufbauen. In den 60er Jahren fanden die Wissenschaftler jedoch eine ungewöhnliche Polymerase. Sie versieht Gene, die für Antikörper codieren, zufällig am 3`-Ende eines einzelsträngigen DNA-Stranges mit Nukleotiden und das ohne eine DNA-Vorlage. So erzeugt das Enzym, die sogenannte terminale Desoxynukleotidyltransferase (TdT), zufällige Variationen in diesen Genen. Das wiederum führt zu neuen Antikörper-Varianten, die zufällig auch unbekannte Eindringlinge erkennen können. „TdT ist ein zuverlässiges Enzym, das alle vier Nukleotide gleich gut addiert. Es arbeitet ohne Nebenreaktionen, die die DNA-Sequenz gefährden könnten, und ist zudem mit etwa 200 addierten Basen pro Minute sehr schnell“, so Palluk.

Strangsynthese muss nach jedem Nukleotid gestoppt werden

Zahlreiche Labore haben bereits versucht, sich die Eigenschaften von TdT zunutze zu machen. Die große Herausforderung dabei: TdT muss nach jeder Basen-Addition stoppen, um dann ganz gezielt die nächste, gewünschte Base hinzuzufügen. Bisherige Ansätze zielten darauf ab, Mehrfach-Additionen durch speziell modifizierte Nukleotide zu verhindern. Dabei enthielten die Nukleotide Blockierungsgruppen, die vor der Zugabe des nächsten Nukleotids entfernt werden mussten – ähnlich wie bei den Next-Generation-Sequencing-Methoden. Hier funktioniert der Ansatz gut, da DNA-kopierende Enzyme auch Nukleotide mit Blockierungsgruppen anknüpfen können. TdT kann das nicht.

TdT gezielt binden und loslassen

Anstatt das Nukleotid zu blockieren, führte ein anderer Ansatz die Wissenschaftler zum Erfolg: Sie verknüpften ein unblockiertes Nukleotid und TdT durch einen chemischen Linker. Jedem TdT-Enzym steht so nur ein DNA-Baustein zur Verfügung und nach dem Einbau bleibt das Enzym durch den Linker an den DNA-Strang geknüpft. Das blockiert den Zugang für andere TdT-Moleküle. Anschließend wird der Linker chemisch gespalten und dadurch der DNA-Strang für weitere Additionen freigegeben.

Dass dieser Ansatz funktioniert, haben die Forscher in ersten Versuchen bewiesen: Mit ihrer neu entwickelten Methode stellten sie Oligonukleotide aus zehn Basen her. Die Genauigkeit des Systems ist für den Anfang ebenfalls akzeptabel: 80 Prozent der Oligonukleotide enthielten die gewünschte Sequenz. Sobald die jungen Forscher die Genauigkeit der TdT optimiert haben, könnten sie „ein 1.000 Basen langes Molekül in einem Zug mit einer Ausbeute von mehr als 35 Prozent synthetisieren, was mit den derzeitigen chemischen Synthesetechniken völlig unmöglich ist“, so Palluk.

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Bisherige Methoden erzeugen nur kurze DNA-Sequenzen und sind „schmutzig“

Die ursprüngliche Technik der DNA-Synthese stammt aus dem Jahr 1981. Damit können Oligonukleotide erzeugt werden, die etwa 200 Basen lang sind. Bei längeren Nukleotid-Strängen nimmt die Fehlerquote schnell zu und macht die DNA-Sequenzen unbrauchbar. Um ein künstliches Gen herzustellen, müssen Wissenschaftler also kurze Genstücke synthetisieren und diese im Anschluss in der richtigen Reihenfolge aneinanderfügen. Doch dieser Prozess ist zeitaufwendig, erfordert oft mehrere Versuche und scheitert manchmal auch komplett.

Zur chemischen DNA-Synthese werden auch aktivierte DNA-Bausteine benötigt, die toxisch sind. Zudem benötigt das Verfahren größere Mengen an organischen Lösungsmitteln. Das erzeugt Abfall, der schwer zu entsorgen ist. Der Herstellungsprozess ist zudem empfindlich, da keine Feuchtigkeit ins System eindringen darf - kein leichtes Unterfangen in einem gewöhnlichen Labor.

Bestellen Wissenschaftler heute künstlich hergestellte Gene bei einem Synthese-Unternehmen, kann die Herstellungszeit für ca. 1.500 Basen durchaus zwei Wochen betragen. Das könnte sich durch Palluks Erfindung bald ändern.

Prozess mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten

Palluks Erfindung ist skalierbar und automatisierbar. Damit hat sie das Potential, zahlreiche Branchen wie die Bekleidungs-, Nahrungs- und Treibstoff-Industrie mit nachhaltigeren Produktionsprozessen zu bereichern. Denn künstlich hergestellte DNA benötigen nicht nur Wissenschaftler und Studenten für ihre Laborversuche. Die Nachfrage nach synthetisch hergestelltem Erbgut steigt weltweit. Unternehmen nutzen es, um Arzneimittel, Enzyme oder Chemikalien von eigens dafür umfunktionierten Mikroben herstellen zu lassen. Wissenschaftler brauchen die synthetische DNA, um sie in Pflanzen oder Tiere einzubauen oder um neue CRISPR-basierte Krankheitstherapien auszuprobieren. Doch in künstlich hergestelltem Erbgut schlummert noch weiteres Potenzial.

DNA als Massenspeicher

DNA muss nicht unbedingt immer nur Informationen zur Herstellung von Eiweißen enthalten. In der DNA lassen sich auch beliebige Daten speichern – ähnlich wie digitale Daten heute auf Computerfestplatten. In einem Gramm DNA könnten theoretisch genauso viele Daten wie auf 50 Millionen DVDs gespeichert werden. Zudem ist DNA als Datenträger über Jahrhunderte stabil.