Berlin (labnews.io) – Mit der Fertigstellung des letzten Chromosoms im Januar 2025 hat das internationale Sc2.0-Projekt (auch Yeast 2.0 genannt) einen historischen Meilenstein in der synthetischen Biologie erreicht. Forscher der Macquarie University in Australien in Zusammenarbeit mit einem weltweiten Konsortium haben das Chromosom synXVI vollendet und damit alle 16 Chromosomen der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) synthetisch nachgebaut. Zusätzlich entstand ein neuartiges „tRNA-Neochromosom“, das alle tRNA-Gene außerhalb der natürlichen Chromosomen zusammenfasst. Damit liegt erstmals ein vollständig künstlich gestaltetes eukaryotisches Genom vor.
Das Projekt startete 2006 unter Leitung von Jef Boeke und zielt darauf ab, das etwa 12 Megabasen große Hefegenom mit rund 6000 Genen komplett neu zu designen und chemisch zu synthetisieren. Im Gegensatz zur natürlichen Version wurde das synthetische Genom um etwa acht Prozent verkleinert und gezielt optimiert: Instabile repetitive Elemente wie Transposons wurden entfernt, 127 TAG-Stoppcodons in TAA umgewandelt, 15 Introns eliminiert und insgesamt 344 symmetrische loxPsym-Stellen eingefügt. Diese loxPsym-Sites ermöglichen das sogenannte SCRaMbLE-System (Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxP-mediated Evolution), mit dem das Genom unter kontrollierten Bedingungen massiv umstrukturiert werden kann – eine Art eingebauter Diversitätsgenerator für die Evolution im Labor.
Beim letzten Chromosom synXVI handelt es sich um ein 902.994 Basenpaare langes Konstrukt (ursprünglich 948.066 bp nativ). Es wurde aus 116 synthetischen Fragmenten in pUC-Vektoren aufgebaut, in sechs Hefestämmen integriert und durch mehrmalige Meiose zu einem finalen Stamm zusammengeführt. Während des „Debugging“ traten Fitness-Probleme auf, darunter schlechtere Sporulation und Wachstum auf Glycerin bei 37 Grad Celsius. Mit dem CRISPR-basierten D-BUGS-Protokoll identifizierten die Forscher defekte Stellen, vor allem durch loxPsym-Insertionen in 5’-UTR-Regionen essenzieller Gene. Diese wurden korrigiert. Auch fehlende tRNA-Gene wurden teilweise zurückgeführt, um die Fitness wiederherzustellen.
Macquarie University trug über zwölf Prozent zum gesamten Projekt bei. Die Arbeiten wurden unter anderem vom Australian Research Council Centre of Excellence in Synthetic Biology und der NSW-Regierung unterstützt. Frühere Teilerfolge umfassten bereits die Kombination von 6,5 synthetischen Chromosomen in einer funktionsfähigen Zelle, die sich ähnlich wie Wildtyp-Hefe verhielt.
Die Designer-Änderungen machen die synthetische Hefe stabiler und flexibler für Anwendungen. Das SCRaMbLE-System erlaubt rasche Generierung von Varianten, die beispielsweise besser Abfälle abbauen, neue Metabolite produzieren oder unter Stressbedingungen robuster wachsen. Die getrennte tRNA-Neochromosom-Architektur erleichtert zudem großskalige Genom-Modifikationen ohne Störung der Hauptchromosomen.
Das Sc2.0-Projekt gilt als Proof-of-Concept für die Synthese komplexer eukaryotischer Genome. Es liefert nicht nur grundlegende Erkenntnisse zur Genom-Organisation, Chromatin-Struktur und Evolution, sondern dient auch als Blaupause für zukünftige Projekte wie „Plant 2.0“ oder sogar Ansätze bei höheren Organismen. Auf Basis der gesammelten Erfahrungen haben die Forscher bereits eine in-silico-Neudesign-Version von synXVI vorgeschlagen: mit reduzierter Anzahl von PCR-Tags, optimierten Chunk-Grenzen und angepasster Verteilung der loxPsym-Sites, um künftige Defekte zu minimieren.
Der Abschluss von Sc2.0 markiert den Übergang von der reinen Grundlagenforschung zur gezielten Nutzung synthetischer Genome in der Bioökonomie. Die vollständige Zusammenführung aller 16 Chromosomen plus Neochromosom in einer einzigen lebensfähigen Zelle steht zwar noch aus, doch die einzelnen Bausteine sind nun verfügbar. Experten erwarten, dass diese Plattform die Entwicklung neuer industrieller Hefestämme für Pharmazeutika, nachhaltige Chemikalien und Bio-Kraftstoffe deutlich beschleunigen wird.
