Wissenschaftler haben sich lange gefragt: Können sie eine vollwertige synthetische Lebensform schaffen? Der Biologe Anthony José führte das Konzept eines zellulären Codes ein, dessen Kenntnis erforderlich ist, um einen künstlichen Organismus zu erhalten.
Gegenwärtig haben Forscher gerade damit begonnen, künstliche Lebensformen zu produzieren, indem sie die Genome einzelliger Mikroorganismen wieder zusammensetzen. Insbesondere im März letzten Jahres erschien ein Artikel in einer der Fachpublikationen, in denen Wissenschaftler den Prozess der Erzeugung eines Bakteriums Mycoplasma mit einer möglichst geringen Anzahl von Genen beschrieben. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, fügten die Wissenschaftler abwechselnd Fragmente des veränderten Genoms, das fast halb so groß wie das Original war, mit der zerstörten DNA in die Empfängerzelle ein.
In diesem Jahr gelang es amerikanischen Forschern der Johns Hopkins University, Hefe mit künstlichen Chromosomen zu erhalten, aus denen nutzlose und defekte Gene entfernt wurden. Darüber hinaus gelang es den Wissenschaftlern, den genetischen Code zu brechen, indem sie die Tripletts der TAG-Proteine gegen TAA austauschten. Aus diesem Grund haben die Organismen das zusätzliche Fragment entfernt, das den TAG-Codons diente.
Während einige Forscher versuchen, einzellige Organismen frei von genetischen Trümmern zu erzeugen, versuchen andere Wissenschaftler gleichzeitig, die Art und Weise zu ändern, in der Proteine von einer DNA-Sequenz codiert werden. Derzeit sind die Fortschritte in diese Richtung mehr als bescheiden. Das Wenige, was getan wurde, ist die Diversifizierung des DNA-Alphabets. Zu den vier bereits vorhandenen Nukleotidbuchstaben wurden einige Buchstaben hinzugefügt. In einem der wissenschaftlichen Artikel wird darüber gesprochen, wie es einer internationalen Forschergruppe gelungen ist, künstliche Nukleotide Y, X in das Genom von E. coli einzufügen. Trotz der Tatsache, dass zuvor etwas Ähnliches getan wurde, gelang es den Forschern sicherzustellen, dass die Bakterien einen synthetischen Teil in ihrer DNA behalten, aber während erfolgreich zu entwickeln.
Dies ist jedoch nur der erste Schritt in Richtung eines vollwertigen künstlichen Organismus. Im nächsten Schritt wollen Wissenschaftler künstliche Nukleotide für Aminosäuren kodieren lassen. In E. coli wurden synthetische Proteine Y, X in einem sicheren Teil des Genoms außerhalb der kodierenden Sequenzen von Genen platziert. Andernfalls würden neue Peptide einfach den Prozess der Proteinsynthese stören. Die Zelle würde einfach nicht wissen, für welche Aminosäure dieses oder jenes Codon (YGC oder ATX) verantwortlich ist. Biologen müssen noch eine neue Transport-RNA erstellen, die solche Tripletts erkennen und eine bestimmte Aminosäure in die wachsende Peptidsequenz einfügen kann.
Aber selbst unter solchen Bedingungen kann ein solcher Organismus kaum als künstlich bezeichnet werden. Gleichzeitig verstehen die Wissenschaftler, wie ihre nächsten Aktionen aussehen werden. Ein synthetischer Organismus erhält nicht nur neue Nukleotide, sondern auch neue Aminosäuren, die entweder überhaupt nicht vorkommen oder in der Zelle äußerst selten sind. Wissenschaftler sind sich bewusst, dass alle Tripletts von Nukleotiden von nur zwanzig Standardaminosäuren codiert werden. Einige andere Aminosäuren, einschließlich Selenocystein, können unter bestimmten Bedingungen in das Protein eingebaut werden. Dank der zusätzlichen Buchstaben des genetischen Codes wird es möglich sein, das Protein anzureichern und Codons zu bilden, die den neuen Aminosäuren entsprechen.
Trotz der Tatsache, dass die synthetische Biologie einige Erfolge erzielt hat, wissen die Forscher immer noch nicht genau, welche Informationen wichtig sind, um einen Organismus mit den angegebenen Eigenschaften zu erhalten. Die DNA-Sequenz ist nur ein Ausgangspunkt. Alle Zellen einer Pflanze oder eines Tieres enthalten das gleiche Genom, aber im Verlauf der Entwicklung von Organismen werden die Zellen abgegrenzt, dh sie erfüllen unterschiedliche Funktionen. Dabei spielt die sekundäre (sogenannte epigenetische) Regulation eine wichtige Rolle, bei der bestimmte Gene durch Verbindungen ausgeschaltet oder aktiviert werden. Letztendlich kann sich eine Zelle in einen Fibroblasten und die andere in ein Neuron verwandeln.
Anthony José, Biologe an der University of Maryland, untersucht, wie nichtgenetische Informationen einen Organismus definieren. Der Forscher schlug das Konzept eines zellulären Codes vor, der in biologischen Molekülen eingeschlossen ist, die sich im dreidimensionalen Raum befinden. Diese Moleküle werden benötigt, um den Rest des Organismus wiederherzustellen. Um diese Informationen zu speichern, werden nicht alle Zellen eines komplexen Organismus benötigt, mehrere oder sogar eine Zelle reichen aus. Für Organismen, die sich sexuell vermehren, ist ein solches Repository die Zygote (dies ist eine Zelle, die gebildet wird, nachdem eine weibliche Gamete durch ein Sperma befruchtet wurde).
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Laut dem Forscher ist es zur Entschlüsselung des Zellcodes erforderlich, den gesamten Zyklus der Rekonstruktion des Organismus zu untersuchen. Mit anderen Worten, es ist notwendig, die Entwicklung eines lebenden Organismus und seine Fortpflanzung als einen einzigen Prozess zu betrachten. Um vollständig zu verstehen, wie dies funktioniert, reicht es nicht aus, DNA zu entschlüsseln.
Bei der Bildung einer Zygote wird die Bildung eines neuen Organismus nicht nur durch die aus der Eizelle und den Spermien gewonnene DNA, sondern auch durch das Zytoplasma des Gameten beeinflusst. Substanzen, die sich während der Gametenreifung ansammeln (mRNA, Proteine, Transkriptionsfaktoren), können den mütterlichen Effekt verursachen. Sie befinden sich in den frühen Entwicklungsstadien des Embryos und können ihn sogar abtöten (dies ist typisch für die Käfer des Maikäfers). Auch die räumliche Struktur dieser Substanzen spielt eine gewisse Rolle. Insbesondere bilden sie bei Insekten die Körperachsen und bestimmen die Muschelkräuselung bei Weichtieren.
Der Wissenschaftler wird das folgende Schema vorschlagen: Eine Zelle mit biologischen Makromolekülen und anderen Verbindungen, die mit Nährstoffen, Signalmolekülen und der Temperatur (dh externen Faktoren) interagieren, geht in einen anderen Zustand über, der wiederum die Umwelt beeinflusst. In ähnlicher Weise durchläuft das gesamte System eine bestimmte Anzahl von Zyklen, während neue Substanzen angesammelt werden. Die neue Phase hängt von der vorherigen ab, sodass sie vorhergesagt werden kann.
Jose ist besorgt, dass Biologen immer noch nicht den gesamten Zellcode des einfachsten Organismus kennen, aber sie haben sich bereits mit der Arbeit an DNA daran gemacht, eine semi-künstliche Lebensform zu schaffen. Nach Ansicht des Forschers ähneln solche Manipulationen mit genetischem Material dem Austausch von Teilen in einem bestimmten Mechanismus, so dass sie aus ethischer Sicht sehr riskant sein können.
Um den Zellcode zu entschlüsseln, schlägt der Biologe vor, die inneren Eigenschaften von Zygoten in einer Reihe von Generationen der einfachsten Mikroorganismen, beispielsweise einzelligen Algen, zu vergleichen. Für diese Zwecke können auch semi-künstliche Bakterien mit einem minimalen Genom geeignet sein. Durch die Untersuchung der väterlichen oder mütterlichen Wirkung können signifikante externe Faktoren ermittelt werden. Die Untersuchung der räumlichen Anordnung wichtiger Moleküle kann mithilfe systematischer biochemischer und molekularer Analysen unter Verwendung fluoreszierender Moleküle durchgeführt werden.
