Der sogenannte horizontale Gentransfer – der Austausch von Genen ohne Vererbung – ist ein wesentlicher Grund dafür, dass sich Bakterien so schnell an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. Das funktioniert auch, wenn die beteiligten Bakterien nur eine geringe evolutionäre Verwandtschaft aufweisen. Selbst mehrere Gene, sogenannte Cluster, die gemeinsam dafür verantwortlich sind, dass ein Organismus ein komplexes Stoffwechselprodukt erzeugen kann, tauschen Bakterien auf diese Weise aus. Ein neues gentechnisches Verfahren soll nun diese Gencluster für Forschung und Biotechnologie erschließen.

Gezielter Transfer von Genclustern

Viele der sogenannten Sekundärmetabolite – Substanzen, die ein Organismus nicht zwingend zum Überleben benötigt, die ihm aber Vorteile verschaffen – sind genetisch komplex reguliert und dementsprechend unvollständig sind die Zusammenhänge bisher verstanden. Zudem lässt sich der Austausch dieser Gencluster zwischen unterschiedlichen Stämmen im Labor nur schwer erzwingen und erforschen. Mit „CRAGE“ (Chassis-unabhängige rekombinase-gestütztes Genom-Engineering) haben Forscher aus den USA, Deutschland und Japan nun im Fachjournal „Nature Microbiology“ eine Methode vorgestellt, die den zielgerichteten Austausch solcher Gencluster ermöglicht.

Sekundärmetabolite biotechnologisch herstellen

„Metabolite sind wie eine Sprache, mit der Mikroben mit ihrer Umwelt und all den darin lebenden Organismen interagieren. Da wir diese Umgebung aber meist nicht im Detail kennen, verstehen wir auch die Funktion dieser Metabolite nicht“, erläutert der Leitautor der Studie Yasuo Yoshikuni, Wissenschaftler am Joint Genome Institute (JGI), die Motivation der Forscher. Co-Autor Helge Bode von der Goethe-Universität Frankfurt ergänzt: „CRAGE ermöglicht es uns, auf diese Verbindungen viel einfacher als bisher zuzugreifen.“ In mehreren Fällen sei es bereits gelungen, neue Verbindungen zum ersten Mal herzustellen und zu charakterisieren.

Neue Produkte und Organismen erschließen

Neben dem Erkenntnisgewinn über die jeweiligen Mikroorganismen und ihre Gene versprechen sich die Forscher davon auch neue Optionen für die Biotechnologie, da viele dieser Metabolite wirtschaftlich interessant sind. Weil der horizontale Gentransfer nicht nur die Gene in andere Arten übertragen kann, sondern diese Arten oftmals auch in der Lage sind, diese Gene dann zu nutzen, könnten so neue Arten als Produktionsorganismen interessant werden, neben den bislang biotechnologisch bereits etablierten. Co-Autor Jin Ke vom JGI resümiert: „Mit CRAGE können Mikroben für die Produktion von Proteinen, RNAs und anderen Molekülen mit einem riesigen Anwendungsspektrum entwickelt werden.“

Unterstützt wurde die Entwicklung der lizenzpflichtigen Methode vom US-amerikanischen Department of Energy Office of Science, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik in Frankfurt am Main.

bl