Forscher am Manchester Institute of Biotechnology (MIB) der Universität Manchester haben eine neue Biocontainment-Methode entwickelt, um das Entweichen gentechnisch veränderter Organismen, die in industriellen Prozessen verwendet werden, zu begrenzen.
In ein Papier veröffentlicht in Naturkommunikation Dr. Stefan Hoffmann, Hauptautor des Artikels, und Professor Patrick Cai haben herausgefunden, dass sie durch die Hinzufügung einer Östradiol-kontrollierten destabilisierenden Domäne Degron (ERdd) zum Erbgut der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) das Überleben des Organismus kontrollieren können.
Destabilisierende Domänen (DD)-Degrons sind ein Element eines Proteins, das den Abbau ermöglicht, es sei denn, ein bestimmter Ligand – ein kleines Molekül, das an das DD-Degron bindet – ist vorhanden, um es zu stabilisieren. Die Forscher haben die Hefe so manipuliert, dass sie lebenswichtige Proteine abbaut, sofern Östradiol, eine Art Östrogen, nicht vorhanden ist. Ohne Östradiol würde die Hefe sterben.
Diese neue genetische Eindämmungstechnik unterscheidet sich von früheren Techniken dadurch, dass sie direkt auf essentielle Proteine abzielt. Es hat keine schädlichen Auswirkungen auf die Funktion des Organismus, selbst im Vergleich zum Wildtyp-Organismus, und bleibt auch nach 100 Generationen ein aktiver Teil des Genoms.
Um dies zu erreichen, markierten die Forscher 775 essentielle Gene mit dem ERdd-Tag und untersuchten die resultierenden Organismen auf Östradiol-abhängiges Wachstum. Durch dieses Screening identifizierten sie drei Gene, SPC110, DIS3 und RRP46, als geeignete Ziele. Die modifizierte Hefe wuchs gut in Gegenwart von Östradiol und gedeihte in Abwesenheit davon nicht.
Professor Patrick Cai, Lehrstuhlinhaber für synthetische Genomik, sagte: „Sicherheitsmechanismen sind entscheidend für den Einsatz neuer Technologien wie der Ingenieurbiologie. Die Entwicklung von Biocontainment-Systemen wird das mit den neuen Technologien verbundene Risiko effektiv minimieren und sowohl die Forscher als auch die Forscher schützen.“ der breiteren Gemeinschaft. Es bietet auch eine neuartige Lösung zur Bekämpfung intellektueller Spionage, um unsere ständig wachsende Bioökonomie zu schützen. Diese Arbeit ist ein großartiges Beispiel für die verantwortungsvolle Innovation der MIB-Forschung.“
Die Ingenieurbiologie ist ein relativ neues, aber expandierendes Wissenschaftsgebiet, das es der Industrie ermöglicht, Mikroorganismen wie Hefen und Bakterien zu nutzen, um Mehrwertchemikalien kostengünstig und effizient herzustellen. Da Mikroorganismen jedoch häufig gentechnisch verändert werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen, wird es zu einem Problem, wenn die Organismen in die natürliche Umgebung gelangen.
Um sicherzustellen, dass veränderte Organismen nicht aus einer Laborumgebung gelangen, legt das NIH strenge Schwellenwerte für die Fluchtrate fest. Derzeit basieren die meisten genetischen Schutzmaßnahmen auf einer von zwei Methoden, um die Richtlinien einzuhalten: entweder durch die Konstruktion einer Auxotrophie, bei der der Organismus auf die Anwesenheit eines bestimmten Metaboliten in seiner Umgebung angewiesen ist, um zu überleben, oder durch ein „Selbstmord“-Gen, bei dem das Der Organismus produziert selbst ein Gift, das ihn tötet, wenn bestimmte Bedingungen nicht erfüllt sind.
Obwohl diese Methoden im Allgemeinen genetisch stabil und wirksam genug sind, um die NIH-Richtlinien zu erfüllen, weisen sie Einschränkungen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit auf. Wenn man sich auf einen Metaboliten verlässt, um den Organismus zu ernähren, kann dieser Metabolit auch in freier Wildbahn vorkommen und nicht dafür sorgen, dass der Organismus nicht überlebt, wenn er entweicht. Da es sich bei „Selbstmord“-Genen um eine direkte Bedrohung für den Organismus handelt, kann das Gen über Generationen hinweg selektiv mutieren und inaktiv werden, wodurch es zu einer unwirksamen Kontrolle wird.
Die von Hoffmann und Cai beschriebene neue Biocontainment-Methode könnte in Verbindung mit den bestehenden Methoden verwendet werden, um deren Wirksamkeit zu steigern und eine noch robustere Fluchtfrequenz zu liefern. Selbst wenn es als einzige Biocontainment-Methode verwendet wird, bietet es eine Austrittshäufigkeit von <2x10-10, was weit über der NIH-Richtlinie einer Austrittsrate von weniger als 10-8 liegt.
Mehr Informationen:
Stefan A. Hoffmann et al., Entwicklung einer strengen genetischen Bioabdichtung von Hefe mit einem Proteinstabilitätsschalter, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-44988-8