Neue Forschung könnte zu einem DNA 3D-Drucker führen

Ingenieure können kurz vor Feierabend noch einen 3D Druck starten und haben am nächsten Morgen bereits ihren Prototypen in der Hand. Durch die Forschung an der UC Berkeley und dem Lawrence Berkeley Nationallabor könnte das auch die Zukunft der DNA-Synthese werden.

Das derzeitige Verfahren der DNA-Synthese ist kompliziert, zeitaufwendig und benötigt giftige Chemikalien. Nun gibt es einen neuen Ansatz. Durch eine Entwicklung, die von Dan Arlow, Sebastian Palluk von der Technischen Universität Darmstadt und einen Gaststudent des Berkeley Labors, geleitet wurden, könnte sich das bald ändern. So könnte zukünftig für das Synthetisieren der DNA ein 3D-Drucker verwendet werden. Das Verfahren soll schneller, unkompliziert und genauer sein. Ebenfalls werden keine giftigen Chemikalien verwendet und man kann 10-mal längere Stränge anfertigen.

Die Forschung des Teams wurde im Joint BioEnergy Institut (JBEI) durchgeführt und publiziert.

“Ich persönlich denke, dass die neue Methode von Dan und Sebastian die Herstellung von DNA revolutionieren könnte”, sagte Jay Keasling, Professor für Chemie und Biomolekulare Chemie an der University von California, leitender Fakultätswissenschaftler im Berkeley Labor und Geschäftsführer des JBEIs.

Bisheriger Stand der Technik

Es werden immer mehr maßgefertigte Gene benötigt um Chemikalien oder Medikamente besser testen zu können. Außerdem werden diese für die Erforschung und Heilung von Krankheiten benötigt. Manche Wissenschafter beschäftigen sich auch mit der Möglichkeit der Speicherung von Informationen in DNA. All diese Forschungen benötigen Milliarden von Kopien der einfachsten Sequenzen der DNA.

Die momentane Synthetisierung ist sehr limitiert, Wissenschaftler schaffen eine Länge von 200 Basen ohne defekte. Kleine Gene müssen daher teilweise aus unterschiedlichen Stücken zusammengebaut werden. Für ein kleines Gen von 1500 Einheiten, werden zwei Wochen und ca. 300 Dollar benötigt.

“Als Student in Deutschland war ich Teil eines internationalen Wettbewerbs für synthetische Biologie, iGEM, bei dem wir versuchten, E. coli-Bakterien dazu zu bringen, Plastikmüll abzubauen”, sagte Palluk. “Aber mir wurde schnell klar, dass die meiste Zeit der Forschung damit verbracht wurde, die gesamte DNA zusammen zu bekommen und nicht die Experimente durchzuführen, um zu sehen, ob die veränderten Zellen den Kunststoff zerstören könnten. Das hat mich sehr motiviert, den DNA-Synthese-Prozess zu untersuchen. “

Die Zukunft der DNA Produktion

Die neue Technologie basiert auf einem DNA synthetisierenden Enzym, welches man im Immunsystem findet. Dieses Enzym besitzt die natürliche Fähigkeit Nukleotide zu einem existierenden DNA-Molekül in Wasser, wo DNA am stabilsten ist, hinzuzufügen. Dies führt zu einer erhöhten Präzision und ermöglicht die Synthese von DNA-Strängen, die mehrere tausend Basen lang sind – ein mittelgroßes Gen.

Dieses Enzym wurde bereits 1960 entdeckt und wird in unserem Körper verwendet um zufällig Bausteine an ein Gen zu haften um Antikörper zu erzeugen. Terminale Desoxyribonukleotidyltransferase (TdT) hat keine Nebenwirkungen auf das Gen, es konnte bis jetzt nur nicht kontrolliert werden. Forscher versuchen es bereits seit Jahren, konnten den Prozess aber nicht so weit beschränken, dass nur ein Baustein zu einem Gen hinzugefügt wurde. Bisherige Versuche verwendeten eine Schutzschicht, um zu verhindern das mehrere Bausteine hinzugefügt werden.

Arlows Ansatz sieht vor ein TdT mit einem freien Baustein zu kombinieren, dadurch soll das Gen erweitert werden und die Schutzschicht hält weitere Verbindungen auf. Sobald die Schutzschicht entfernt ist, kann der zusätzliche Baustein wieder einen weiteren Baustein aufnehmen und dadurch kontrolliert wachsen. Erste Versuche zeigten bereits, dass dieses Verfahren nicht nur schneller, sondern auch genau als die jetzigen ist.

“Wir hoffen, dass Bioingenieure dank dieser Technologie schneller herausfinden können, wie man nützliche Produkte biologisch herstellt, was zu nachhaltigeren Prozessen für die Herstellung der Dinge führen könnte, von denen wir alle in der Welt abhängig sind, einschließlich Kleidung, Treibstoff und Nahrungsmittel, in einer Weise, die weniger Erdöl erfordert “, sagte Arlow.

Er fügte hinzu: “Unser Traum ist es, ein Gen über Nacht zu machen. Für Unternehmen, die versuchen, nützliche Produkte, neue Arzneimittel oder Werkzeuge für eine umweltfreundlichere Landwirtschaft biotechnologisch herzustellen, und für JBEI und DOE, wo wir versuchen, Brennstoffe und Chemikalien aus Biomasse herzustellen, ist die DNA-Synthese ein wichtiger Schritt. Wenn Sie das beschleunigen, könnte dies den gesamten Prozess der Entdeckung drastisch beschleunigen. “