Was ist synthetische Genomik?

Synthetische Genomik ist ein Gebiet der Biochemie, das sich auf die Schaffung des Genoms konzentriert - die vollständige Zusammenstellung der genetischen oder erblichen Informationen eines Organismus, die für die Erhaltung des Lebens dieses Organismus erforderlich sind. Das Genom eines Organismus besteht aus Desoxyribonukleinsäuremolekülen (DNA), die einen Code bilden. Teile dieses Codes, Gene genannt, steuern die Bildung und Interaktion von Proteinen in den Zellen des Organismus und ermöglichen dem Organismus, zu funktionieren. In der synthetischen Genomik manipulieren und erschaffen Wissenschaftler Genome für Forschungszwecke oder für praktische Anwendungen in der Medizin und der Herstellung von Biokraftstoffen.

DNA besteht aus sich wiederholenden Struktureinheiten, den so genannten Nukleotiden, die Basenpaare bilden und die Muster bilden, die den genetischen Code ausmachen. Nukleotide und DNA-Sequenzen werden für eine Vielzahl von biochemischen Anwendungen künstlich hergestellt, die synthetische Genomik ist jedoch ein komplexerer Prozess. Um ein funktionelles synthetisches Genom zu erzeugen, muss das natürliche Genom vollständig bekannt sein und entweder exakt repliziert oder so modifiziert werden, dass keine entscheidenden Funktionen beeinträchtigt werden.

Ein Forschungsteam am J. Craig Venter Institut in Rockville, Maryland, hat 2010 das erste synthetische Bakteriengenom entwickelt. Das Bakterium Mycoplasma mycoides hat ein Genom, das aus einer Million Basenpaaren besteht. Das Team war in der Lage, das natürliche Genom des Bakteriums mit synthetisch hergestellten Nukleotiden zu replizieren und das synthetische Genom in eine andere Bakterienzelle einzuführen, wobei die DNA dieses Bakteriums durch die synthetische DNA von Mycoplasma mycoides ersetzt wurde. Mit dem neuen Genom funktionierte die Zelle wie eine normale Mycoplasma mycoides-Zelle, wobei alle Funktionen intakt blieben.

Komplikationen bei der Synthese eines Genoms können aufgrund der Komplexität der beteiligten Systeme leicht auftreten. Wenn beispielsweise ein Basenpaar nicht am richtigen Ort ist oder fehlt, funktioniert die Zelle möglicherweise überhaupt nicht. Ebenso müssen die biochemischen Prozesse, durch die die Zelle die Informationen in der DNA liest und implementiert, und die chemischen Wechselwirkungen der Zellumgebung mit der DNA korrekt sein.

Die Technologie der synthetischen Genomik kann an industrielle und kommerzielle Anwendungen wie die Herstellung von Biokraftstoffen angepasst werden. Seit 2011 untersuchen einige Unternehmen die Möglichkeit, synthetische Algen zu erzeugen, die effizienter als natürlich vorkommende Algen sind und Kohlendioxid in verwendbare Substanzen umwandeln. Viele Forscher glauben, dass technische Algen auf diese Weise die Herstellung von Biokraftstoff kostengünstiger und wirtschaftlich rentabler machen können.

Andere Projekte in der synthetischen Genomik umfassen die Synthese nur eines Teils eines Genoms, um einen Organismus für den industriellen oder wissenschaftlichen Gebrauch zu modifizieren. Ein Beispiel ist die Modifikation von Pflanzengenomen, um Pflanzen resistenter gegen Dürre oder Schädlinge zu machen. In der Medizin können Mikroben genetisch verändert werden, um bestimmte Krankheiten zu heilen oder die Gentherapie zu unterstützen.

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