Proteine sind die Grundbausteine aller Organismen. Welche Eiweiße wo und wofür zum Einsatz kommen wird wiederum von Genen reguliert. Dabei enthalten die Gene für ein Protein nicht nur dessen einzigartige Sequenz, sondern besitzen auch spezielle Funktionseinheiten wie eine Start- und eine Stopsequenz sowie einen sogenannten Promotor: „Er steuert die Aktivität des Gens und sorgt dafür, dass nur eine bestimmte Menge an Protein gebildet wird oder dass das Gen nur eine bestimmte Zeit abgelesen wird“, sagt Michael Schroda von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK), wo er den Lehrstuhl für Molekulare Biotechnologie und Systembiologie innehat.

Ein Bausatz aus 119 Funktionseinheiten

Schroda und sein Team arbeiten daran, verschiedene Gene in diese Funktionseinheiten zu zerlegen und sie anschließend beliebig kombinieren zu können. Weitere Funktionseinheiten sorgen unter anderem dafür, dass ein Protein in bestimmte Bereiche in der Zelle dirigiert wird oder dass es leuchtet. Im Rahmen eines internationalen Forscherverbundes ist es Schroda und seinem Kollegen Felix Willmund nun gelungen, einen Bausatz aus 119 genetischen Funktionseinheiten für die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii herzustellen. Wie die Biotechnologen in der Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ berichten, lassen sich diese genetischen Bausteine ähnlich wie Legosteine einfach kombinieren und zusammensetzen. „Das ist möglich, weil diese Bausteine genormt sind. Sie besitzen immer definierte Sequenzen an ihren Enden, sodass sie in einer bestimmten Reihenfolge zusammengebaut werden können“, erläutert Schroda.

Erstmals auch für höhere Organismen

Bemerkenswert ist, dass der Baukastenansatz bei der Grünalge überhaupt funktioniert. Denn diese gehört zu den „höheren Organismen“, den sogenannten Eukaryonten, und bisher gab es solche Baukästen nur für niedere Organismen wie Bakterien. „Die Grünalge ist viel komplexer und besitzt zum Beispiel mehr Gene“, sagt Willmund. „Genauso wie Bakterien vermehrt sie sich aber sehr schnell, was sie auch für eine industrielle Produktion interessant macht.“ Eine mögliche Anwendung wären Mikrofabriken. Durch den Gen-Baukasten könnte man in relativ kurzer Zeit verschiedene Proteine herstellen – von Farbpigmenten bis hin zu Wirkstoffen, die in der Medizin Verwendung finden. Und auch für die Grundlagenforschung ist die Methode interessant: „Damit können wir Stoffwechselwege einfach umbauen und genauer untersuchen“, so Schroda.

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft seit 2016 im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB Transregio TRR175) „The Green Hub – Der Chloroplast als Zentrum der Akklimatisierung bei Pflanzen“ gefördert.

jmr