BGI: das internationale Sc2.0-Projekt befindet sich bei der Herstellung des weltweit ersten synthetischen Hefegenoms auf einem guten Weg

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SHENZHEN, China, 10. März 2017 /PRNewswire/ -- 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."