CRISPR-Technologien eröffnen weiterhin neue Wege in der Genom-Editierung. Insbesondere das CRISPR-Cas9-System ist durch seine Fähigkeit, präzise Schnitte in der DNA vorzunehmen und genetische Veränderungen durchzuführen, zu einem der leistungsfähigsten Werkzeuge der modernen Biotechnologie geworden. Die zunehmende Verbreitung dieser Technologien hat jedoch auch eine wichtige Sicherheitsdebatte ausgelöst. Denn gentechnisch veränderte Mikroorganismen werden längst nicht mehr nur in Laboren eingesetzt, sondern in vielen verschiedenen Bereichen von Biokraftstoffen bis hin zu Medikamenten verwendet. Die unkontrollierte Ausbreitung dieser Organismen in die Umwelt oder ihr weiteres Wachstum außerhalb des Labors gilt als eines der größten Bedenken im Bereich der Biosicherheit. Aus diesem Grund arbeiten Forscher in den letzten Jahren intensiv an biologischen "Kill-Switches" (Zerstörungsmechanismen), um diese Organismen bei Bedarf sicher deaktivieren zu können.
Könnte die Sicherheit gentechnisch veränderter Mikroorganismen deutlich erhöhen
Eine der bemerkenswertesten Studien in diesem Bereich stammt diese Woche von der Seoul National University. Die Forscher haben ein CRISPR-Biocontainment-System der nächsten Generation entwickelt, das gentechnisch veränderte Bakterien dauerhaft deaktivieren kann, ohne die DNA physisch zu zerschneiden. Laut dem Team könnte dieses System die Sicherheit von gentechnisch veränderten Mikroorganismen, die insbesondere in der industriellen Biotechnologie und der Biopharmazie eingesetzt werden, erheblich erhöhen.
Bestehende CRISPR-Cas9-Systeme funktionieren in der Regel, indem sie die Doppelhelixstruktur der DNA durchtrennen. Obwohl diese Methode die anvisierten Gene deaktiviert, kann sie zu genomischer Instabilität, unerwünschten Mutationen und zellulären Stressreaktionen führen. Der neue Ansatz des Teams der Seoul National University löst dieses Problem auf eine völlig andere Weise. Anstatt die DNA zu zerschneiden, kombiniert das System ein katalytisch inaktives dCas9-Protein mit einem nukleotidbearbeitenden Deaminase-Enzym. Auf diese Weise werden Nukleotide in bestimmten Genen direkt umgewandelt, ohne physische Schnitte im Genom zu erzeugen.
Der Schwerpunkt der Forscher lag auf den Startcodons essentieller Gene, die für das Überleben der Bakterien zwingend erforderlich sind. Unter normalen Umständen werden die AUG-Startcodons, die die Proteinproduktion einleiten, in alternative Codons umgewandelt und so funktionsunfähig gemacht. Dies hindert das Bakterium dauerhaft daran, lebenswichtige Proteine zu produzieren. Experten vergleichen dieses System mit dem Ausschalten der "Netzschalter", die den Lebensmechanismus der Bakterien antreiben.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Systems ist seine "pulsaktivierte" Struktur. Während bei herkömmlichen Biosicherheitssystemen der Gen-Editierungsmechanismus ständig aktiv bleiben muss, reicht bei diesem neuen Ansatz eine kurzzeitige Aktivierung aus. Nach einem kurzen Induktionsimpuls werden die genetischen Veränderungen dauerhaft, und ein Weiterleben des Bakteriums ist nicht mehr möglich.
Ein weiterer herausragender Aspekt der Studie ist die Fähigkeit des Systems, mehrere essentielle Gene gleichzeitig ins Visier zu nehmen. Eines der größten Probleme bei Biocontainment-Technologien ist, dass einige Bakterien – wenn auch selten – den Sicherheitsmechanismen entkommen und weiterleben können. Diese als "Fluchtmutanten" bezeichneten Bakterien stellen insbesondere im industriellen Maßstab ein erhebliches Risiko dar. Um dieses Risiko zu verringern, zielte das Team gleichzeitig auf mehrere essentielle Gene mit unabhängigen biologischen Funktionen ab. Durch die gleichzeitige Bearbeitung lebenswichtiger Gene wie holA, ftsB und dfp wird die Fluchthäufigkeit auf ein extrem niedriges Niveau reduziert.
Könnte auch Behandlungen mit lebenden Bakterien sicherer machen
Das Forschungsteam berichtet, dass das System nicht nur in Standardbakterien unter Laborbedingungen erfolgreich funktioniert, sondern auch in verschiedenen E. coli-Stämmen, die für industrielle und probiotische Zwecke verwendet werden. Dies wird als entscheidend für die Anpassung der Technologie an reale Anwendungen angesehen.
Die potenziellen Einsatzgebiete dieser Technologie beschränken sich nicht nur auf die industrielle Produktion. In den letzten Jahren werden Behandlungen mit lebenden Bakterien immer häufiger. Diese Bakterien, die als Medikamententräger oder Therapeutika im menschlichen Körper fungieren sollen, gelten als medizinische Technologien der Zukunft. Da jedoch eine unkontrollierte Vermehrung dieser Bakterien erhebliche Sicherheitsrisiken bergen kann, wird davon ausgegangen, dass irreversible Biosicherheitsmechanismen wie der von der Seoul National University entwickelte auch für den klinischen Einsatz eine entscheidende Rolle spielen könnten.