US-Forscher haben eine programmierbare genetische Uhr in lebenden Bakterien gebaut: Dank einer geschickten Kombination von künstlich eingesetzten Schaltergenen leuchten die Mikroben in regelmäßigen Abständen grün auf und dimmen das Licht anschließend wieder. Der Rhythmus dieses Leuchtens lässt sich sogar von außen beeinflussen, etwa indem die Temperatur oder die Nährlösung verändert werden. Die blinkenden Bakterien sind jedoch mehr als eine nette Spielerei: In Zukunft könnten sie etwa als biologische Sensoren dienen, die selbst kleinste Veränderungen in ihrer Umgebung umgehend sichtbar machen. Alternativ könnte eine solche Gen-Uhr auch eingesetzt werden, um Menschen mit genetischen Störungen regelmäßig mit Wirkstoffen zu versorgen, glauben die Forscher.
Für ihre Blinkmikroben statteten die Biotechniker Escherichia coli-Bakterien mit verschiedenen Zusatzgenen aus. Eines davon trug die Informationen für den Bau eines Verstärkers, der die Umsetzung genetischer Informationen beschleunigt, ein anderes enthielt den Bauplan für eine Art Bremse, die genau den gegenteiligen Effekt hat. Zusätzlich fügten die Forscher noch ein Gen ein, das die Anleitung für ein grün leuchtendes Eiweiß aus Quallen, das sogenannte GFP, trug. Die neuen Erbgutabschnitte wurden anschließend so miteinander gekoppelt, dass die Zelle zuerst den Verstärker produzierte und erst dann, mit einer gewissen Verzögerung, die Bremse. Gestartet wurde der Zyklus durch die Zugabe einer Zuckervariante namens Arabinose.
Sobald die Bakterien mit dem Zucker in Berührung kamen, legten sie mit der Produktion los: Die zunehmende Menge des Verstärkerproteins führte zu einem positiven Rückkopplungseffekt und beschleunigte sowohl die Bildung des Verstärkers als auch des GFPs ? mit der Folge, dass die Zellen zu leuchten begannen. Nach der Verzögerungszeit stieg dadurch jedoch auch die Menge des Bremsproteins an. Erreichte sie eine gewisse Schwelle, setzte eine negative Rückkopplung ein und die Produktion von Verstärker, GFP und Bremsprotein wurde gestoppt. Das bereits vorhandene GFP zersetzte sich und das Leuchten verschwand. Zugleich sanken die Level der Steuerproteine ? solange, bis die Menge des Bremsproteins unter einen Schwellenwert geriet und der Zyklus von vorne begann.
Je nach äußeren Bedingungen dauerte ein Zyklus aus Aufleuchten und Dimmen zwischen 13 und 58 Minuten, berichten die Wissenschaftler. Allerdings startete das Leuchten bei den einzelnen Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Als nächstes wollen sie daher alle Bakterienzellen einer Kolonie so miteinander verschalten, dass sie synchron leuchten und so die Taktung der Uhr besser zu erkennen ist.
Jesse Stricker (Universität von Kalifornien in San Diego, USA) et al.: Nature, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1038/nature07389 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
