Molekulares Lego – Wie Forscher Bakterien neues Verhalten beibringen


Zusammenstellung von Erbgut-Modulen verändert

(Bochum). Forscher, die sich mit synthetischer Biologie beschäftigen, nutzen Bausteine der Natur und kombinieren sie neu. Dadurch erwerben Bakterien Funktionen, die sie vorher nicht hatten. Ein großes Potenzial für die Biotechnologie.

Bakterien reagieren auf Temperatur und Stoffwechselprodukte

Johanna Roßmanith und ihr Doktorvater Prof. Dr. Franz Narberhaus vom Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen konnten in einer Studie steuern, welche Proteine ein Bakterium herstellt und wie es sich verhält. So brachten sie zum Beispiel ein Bakterium zum Schwimmen, das vorher unfähig war, sich fortzubewegen. Die Forscher machten es möglich, indem sie verschiedene Module aus der RNA des Bakteriums neu kombinierten.

In der Studie, die in der Zeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht wurde, setzten die Biologen sogenannte Riboswitche, auch RNA-Schalter genannt, und RNA-Thermometer ein. Riboswitche nehmen wahr, ob ein bestimmtes Stoffwechselprodukt in der Zelle im Überschuss vorliegt und regulieren bei Bedarf die Biosynthese oder Aufnahme dieser Substanz.

RNA-Thermometer kontrollieren eine Reihe von temperaturabhängigen Prozessen. Zum Beispiel bemerkt ein Bakterium, das aus kontaminiertem Wasser in einen menschlichen Körper gelangt, den damit verbundenen Temperaturunterschied. Daraufhin produziert es bestimmte Faktoren, die zur Infektion des Wirtes führen.

Mix and Match von Bausteinen

„Regulatorische RNA-Module sind für Anwendungen in der synthetischen Biologie attraktiv, weil sie Signale aus der Umwelt direkt wahrnehmen und unmittelbar die darauffolgenden Gene an- oder abschalten“, erklärt Johanna Roßmanith.

Eine offene Frage war, ob solche Bausteine aus der Natur wie Legobausteine beliebig miteinander kombinierbar sind, um neuartige Sensoren zu entwickeln. Für ihre Arbeit setzte die Doktorandin verschiedene Riboswitche ein, die sie seriell an ein RNA-Thermometer koppelte.

In einer alternativen Strategie integrierte sie die Thermometerstruktur in den Riboswitch. Auf beiden Wegen konnte sie neuartige funktionale Elemente erzielen, die auf die Kombination eines chemischen und eines physikalischen Signals, hier der Temperatur, reagierten.

Bakterien das Schwimmen beibringen

Um das Bakterium aus dem obigen Beispiel zum Schwimmen zu bringen, brachten die Forscher ein Gen, das für die bakterielle Fortbewegung verantwortlich ist, unter die Kontrolle der neu kombinierten RNA-Regulatoren. Voraussetzung für den Erfolg war die richtige Signalkombination. Der Riboswitch benötigte zum Beispiel einen bestimmten chemischen Stoff in Kombination mit einer bestimmten Temperatur.

Potenzial in der Biotechnologie

„Ganz so modular wie Klötze aus dem Baukasten sind RNA-Schalter nun doch nicht“, gibt Franz Narberhaus zu. „Frau Roßmanith musste viele Kombinationen ausprobieren und optimieren, bevor sie funktionale Blöcke erzielte. Unsere Ergebnisse zeigen aber, dass RNA-Module großes Potenzial in der Biotechnologie haben, um Prozesse in der Bakterienzelle ganz gezielt zu steuern.“

Originalveröffentlichung
J. Roßmanith, F. Narberhaus (2016): Exploring the modular nature of riboswitches and RNA thermometers, Nucleic Acids Research, DOI: 10.1093/nar/gkw232

Bild:  In Wirklichkeit sind ihre Proben nicht so farbenfroh wie Legosteine, aber ähnlich wie beim Baukastenprinzip konnte Johanna Roßmanith (s. Foto) Module der Bakterien-RNA neu miteinander kombinieren.

Quelle:  Ruhr-Uni-Bochum
Photo:   © Ruhr-Uni-Bochum/Marquard

 

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