Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues DNA-Syntheseverfahren imitiert die Natur

26.06.2018

Zwei Biologie-Studenten der TU Darmstadt haben gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratorys ein innovatives Verfahren zur enzymatischen Synthese neuer DNA-Sequenzen entwickelt. Damit setzten sie eine seit Jahrzehnten diskutierte Idee erstmals in die Tat um. Die Methode veröffentlichten sie kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Biotechnology“.

Das Verfahren zur Synthese neuer DNA-Konstrukte in einem enzymatischen Prozess soll langfristig gesehen die momentan verwendete chemische Methode zur DNA-Synthese ablösen, und verspricht, biologische Forschung und die Entwicklung von Biotechnologien zu beschleunigen.


Die Einsatzmöglichkeiten von sogenannter synthetischer DNA, also künstlich hergestellten DNA-Sequenzen, sind zahlreich. Forscher können Mikroorganismen, wie zum Beispiel Bakterien oder Hefen, gezielt Gene einsetzen, so dass diese anschließend nützliche Stoffe wie Medikamente, Enzyme oder Chemikalien produzieren.

Sebastian Palluk, Erstautor des in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlichten Artikels, begann als Student an der TU Darmstadt nach einem iGEM-Wettbewerb, sich mit dem Prozess der DNA-Synthese zu beschäftigen und über alternative Verfahren nachzudenken. „Damals wollten wir E.coli-Bakterien dazu bringen, Plastik abzubauen. Bei der Laborarbeit ist mir schnell aufgefallen, dass wir einen Großteil der Zeit damit verbrachten, die benötigten DNA-Konstrukte herzustellen, anstatt die eigentlichen Versuche durchzuführen.“

Synthetische DNA wird seit etwa 35 Jahren mithilfe der gleichen organisch-chemischen Methode hergestellt. Für kurze DNA-Stränge von bis zu 150 Bausteinen (Nukleotiden) funktioniert die Technologie verhältnismäßig gut, bei zunehmender Länge jedoch ist das Verfahren fehleranfällig. Der Prozess für die Synthese eines Gens von mittlerer Länge mit 1500 Nukleotiden dauert etwa zwei Wochen und kostet mehrere hundert Euro. Zudem fallen toxische Abfallprodukte an.

Die nun in „Nature Biotechnology“ vorgestellte Technologie zur DNA-Synthese könnte diese Limitierungen umgehen. Das Verfahren basiert auf dem Enzym Terminale Deoxnucleotidyl Transferase (TdT), welches in unserem Immunsystem vorkommt. Auf Grund seiner Fähigkeit, DNA-Bausteine in hoher Geschwindigkeit und ohne Vorlage aneinander zu reihen, wird TdT schon seit Jahrzehnten im Zusammenhang mit enzymatischer DNA-Synthese diskutiert. Um definierte Sequenzen zu schreiben, muss das Enzym allerdings dazu gebracht werden, nur einen DNA-Baustein pro Reaktion einzubauen, was bis heute eine große Herausforderung darstellt.

Der klassische Ansatz, um den Einbau von Nukleotiden zu kontrollieren, basiert auf Schutzgruppen an den DNA-Bausteinen, die den Einbau der nächsten Base verhindern. Im Rahmen seiner Masterarbeit an der TU Darmstadt in der Forschungsgruppe von Professor Kay Hamacher erforschte Palluk diesen Ansatz und stellte fest, dass das Enzym nur eine niedrige Toleranz für die modifizierten DNA-Bausteine hat.

Ein anderer Ansatz war nötig, und Palluk schloss sich mit Jay Keasling, einem Professor der UC Berkeley und Pionier der synthetischen Biologie, und Daniel Arlow, Doktorand in dessen Gruppe, zusammen. „Daniel hatte dann den Einfall, dass wir das Enzym und das Nukleotid über einen chemischen Linker miteinander verknüpfen könnten“, erklärt Palluk.

Jedem TdT-Enzym steht so nur ein DNA-Baustein für den Einbau zur Verfügung, und nach dem Einbau bleibt das Enzym durch den Linker an den DNA-Strang geknüpft und blockt den Zugang anderer TdT-Moleküle. Um nach der Addition eines Nukleotids den nächsten Schritt des Verfahrens einzuleiten, kann der Linker gespalten werden, was den DNA-Strang für weitere Additionen freigibt.

Schon nach kurzer Zeit erzielten die Forscher erste positive Ergebnisse. Auch TU-Student Sebastian Barthel wirkte bei der Entwicklung des Prozesses im Rahmen seiner Masterarbeit in der Gruppe um Keasling mit, und arbeitete zudem an TdT-Varianten mit verbesserten Eigenschaften.
Die Genauigkeit der neuen Technologie kommt der momentan verwendeten chemischen Synthesetechnologie nahe. „Die Hoffnung ist, zukünftig DNA-Sequenzen in Genlänge in einem Stück zu synthetisieren, und sie innerhalb weniger Tage zu den Forschern zu bringen“, so Barthel.

Professorin Beatrix Süß, Leiterin der Forschungsgruppe Synthetic Genetic Circuits am Fachbereich Biologie der TU, setzt große Hoffnungen in die neue Technologie. „Neue Methoden zur DNA-Sequenzierung haben die biologische Forschung innerhalb der letzten zehn Jahre grundlegend verändert. Unsere Fähigkeit, DNA zu synthetisieren, ist im gleichen Zeitraum fast konstant geblieben, obwohl der Prozess ebenso essentiell ist, und es viel Verbesserungsbedarf gibt.

Mit dieser vielversprechenden ersten Demonstration eines enzymatischen Prozesses für die Synthese von DNA kommt nun endlich Bewegung in das Feld.“ Vereinfachter Zugang zu synthetischer DNA könnte beispielsweise die nachhaltige biotechnologische Herstellung von Produkten, die weltweit benötigt werden – wie Kleidung, Treibstoff, Essen und Medikamente –, erleichtern und neue Entwicklungen in der Medizin vorantreiben.

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/articles/nbt.4173 Die Veröffentlichung

Silke Paradowski | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Freund oder Feind?
14.07.2020 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Selbst bei Bakterien können sich Geschwister unterscheiden
14.07.2020 | Eberhard Karls Universität Tübingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hammer-on – wie man Atome schneller schwingen lässt

Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungsverschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechselwirkungen zurück auf die Schwingungen.

Hammer-on ist eine von vielen Rockmusikern benutzte Technik, um mit der Gitarre schnelle Tonfolgen zu spielen und zu verbinden. Dabei wird eine schwingende...

Im Focus: Kryoelektronenmikroskopie: Hochauflösende Bilder mit günstiger Technik

Mit einem Standard-Kryoelektronenmikroskop erzielen Biochemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) erstaunlich gute Aufnahmen, die mit denen weit teurerer Geräte mithalten können. Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines Eisenspeicherproteins fast bis auf Atomebene aufzuklären. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "PLOS One" veröffentlicht.

Kryoelektronenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren entscheidend an Bedeutung gewonnen, besonders um die Struktur von Proteinen aufzuklären. Die Entwickler...

Im Focus: Electron cryo-microscopy: Using inexpensive technology to produce high-resolution images

Biochemists at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have used a standard electron cryo-microscope to achieve surprisingly good images that are on par with those taken by far more sophisticated equipment. They have succeeded in determining the structure of ferritin almost at the atomic level. Their results were published in the journal "PLOS ONE".

Electron cryo-microscopy has become increasingly important in recent years, especially in shedding light on protein structures. The developers of the new...

Im Focus: Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn man elektronische Bauteile immer kleiner machen will, braucht man dafür auch die passenden Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte...

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wind trägt Mikroplastik in die Arktis

14.07.2020 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Nanoelektronik lernt wie das Gehirn

14.07.2020 | Informationstechnologie

Anwendungslabor Industrie 4.0 der THD: Smarte Lösungen für die Unikatproduktion

14.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics