Wissenschaftler verkleinern den genetischen Code von E. coli, um nur 57 seiner üblichen 64 Codons zu enthalten.

1. August 2025

Bericht

von Krystal Kasal, Phys.org

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Die DNA fast allen Lebens auf der Erde enthält viele Redundanzen, und Wissenschaftler haben sich schon lange gefragt, ob diese Redundanzen einen Zweck erfüllen oder ob sie einfach Überreste evolutionärer Prozesse sind. Sowohl DNA als auch RNA enthalten Codons, das sind Sequenzen von drei Nukleotiden, die entweder Informationen darüber bereitstellen, wie ein Protein mit einer bestimmten Aminosäure gebildet werden soll, oder der Zelle während der Proteinsynthese sagen, aufzuhören (ein Stoppsignal).

Insgesamt gibt es 64 mögliche Kombinationen von Codons, und diese Kombinationen sind nahezu universal für alles Leben auf der Erde. Aber einige Codons sind redundant. Es stehen nur 20 Aminosäuren für eine Zelle zur Verfügung, und 61 der 64 Codons sind für die Proteinsynthese verfügbar, während 3 als Stoppsignale verwendet werden. Dies führt zu einer Vielzahl von Redundanzen bei den Codons.

Einige Studien legen nahe, dass diese Redundanzen dazu beitragen könnten, Mutationen in der DNA zu verhindern, aber auch die genetische Kodierung bestimmter Organismen durch Entfernen überflüssiger Teile zu reduzieren, kann vorteilhaft sein. Im Jahr 2019 reduzierte eine Gruppe von Wissenschaftlern das Genom von E. coli von 64 auf 61 Codons durch 18.214 Änderungen. Sie nannten die resultierende Version Syn61 und diese virenresistente Version wird verwendet, um zuverlässigere Medikamente herzustellen und neuartige Materialien herzustellen.

Nun ist es einer anderen Gruppe von Wissenschaftlern gelungen, die genetische Kodierung von E. coli weiter auf 57 Codons zu reduzieren, indem sie Syn57 schufen. Sie haben ihre Arbeit kürzlich in Science veröffentlicht.

Diese weitere Reduzierung war ein massiver Aufwand. Das Team machte über 101.000 Codon-Änderungen, indem es das Genom in 38 Abschnitte unterteilte und redundanten Codons akribisch durch synonyme Codons ersetzte - die die gleiche Funktion erfüllen. Jedes Mal, wenn ein Austausch durchgeführt wurde, mussten die Forscher feststellen, ob der Austausch die Lebensfähigkeit der Bakterien beeinträchtigen würde, bevor sie fortfuhren.

Sie erklären: „Ein Mapping und Reparieren in jedem Stadium der Synthese war oft entscheidend für die Ermöglichung des nächsten Schritts der Synthese. Diese Experimente bieten ein Paradigma zur Integration von 'just in time'-Fehlerzuweisung und Reparatur von ursprünglichen Konstruktionsfehlern in synthetische Pläne, sodass lokale Fehler frühzeitig in der Synthese identifiziert und behoben und längerfristige, potenziell epistatische oder synthetisch letale Fehler identifiziert und behoben werden können, während sie im Montageprozess auftauchen.“

Am Ende verkürzte das Team erfolgreich die genetische Kodierung auf 57 Codons, indem es sechs Sinnes-Codons und ein Stop-Codon durch synonyme Codons ersetzte. Die resultierenden Bakterien mit dem neuen Code waren tatsächlich lebende Organismen, aber die Forscher stellten fest, dass sie rund vier Mal langsamer wuchsen als der Elternstamm - ein Problem, das sie hoffentlich irgendwann beheben können. Allerdings zeigt der neue Stamm ein deutliches Genexpressionsprofil, das auf eine breite physiologische Anpassung hinweist.

Einige mögliche Anwendungen dieses neuen Stammes sind virenresistente Organismen für die Biotechnologie und Industrie sowie die Synthese von Proteinen und Polymeren mit neuen Eigenschaften. Insgesamt sind die Forscher optimistisch hinsichtlich des Potenzials dieses neuen Stammes. Ihre Arbeit wirft auch Fragen auf, ob es Grenzen für die Reduzierung der Anzahl von Codons oder das Schaffen von Organismen mit völlig neuen Biochemien gibt.

Die Autoren der Studie sagen: „Diese Arbeit verdeutlicht, wie die Genomsynthese die Genomsequenzen von Organismen in neue Bereiche des Sequenzraums verschieben kann, die von natürlichem Leben nicht erreicht worden sein könnten.“

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Weitere Informationen: Wesley E. Robertson et al, Escherichia coli mit einem 57-Codon-Genetikcode, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady4368

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