Ein Forschungsteam unter Führung von Wissenschaftler:innen des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg hat eine innovative Methode zur Feinjustierung genetischen Materials entwickelt. Dabei werden gezielt chemische Markierungen an das Erbgut angefügt, wodurch sich neue Möglichkeiten der Genom-Editierung für Medizin, Landwirtschaft und Biotechnologie eröffnen.
Forschende des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), einem Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), haben gemeinsam mit Wissenschaftler:innen der <link https: www.ncsu.edu _blank>North Carolina State University in den USA sowie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Schweiz eine neue Methode der präzisen DNA-Modifizierung entwickelt. Ihr Ziel war es, Erbgut in Bakterien, Pflanzen und menschlichen Zellen noch präziser verändern zu können.
Für die neue Methode der präzisen DNA-Modifizierung haben sich die Forschenden von einem ausgeklügelten Abwehrsystem von Bakterien inspirieren lassen. Als Schutzmechanismus gegen Bakteriophagen schützen sich Bakterien beispielsweise durch den Einsatz zweier Enzyme: „DarT2“ und „DarG“. DarT2 hängt gezielt einen chemischen Marker an DNA, blockiert damit ihre Vervielfältigung und stoppt so die Virusvermehrung.
Dieser fein abgestimmte Mechanismus dient nun als Grundlage für einen neuen Ansatz zur Genom-Editierung. Diese Form der Modifizierung, dem „Append Editing“, können neue Arten von Genveränderungen durchgeführt werden. Dabei wird gezielt eine chemische Gruppe, die ADP-Ribose-Moleküle, hinzugefügt. Der chemische Marker veranlasst die Zelle, die DNA mit hoher Präzision zu verändern. Die Art der Veränderung hängt jedoch von dem Organismus ab, in den sie eingeführt wurde. Anders als bei bisherigen Technologien, bei denen dieselben Werkzeuge in allen Organismen zu ähnlichen Ergebnissen führen, waren die Auswirkungen der Append-Editierung bei Bakterien und Eukaryoten wie Pilzen, Pflanzen und menschlichen Zellen stark verschieden.
„Wir haben beobachtet, dass die Append-Editierung bei Bakterien zu umfangreichen Änderungen im Genom auf der Grundlage einer beigefügten Vorlage führte, während sich in eukaryotischen Zellen die Identität der modifizierten DNA-Base veränderte“, erklärt Chase Beisel, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI. „Dass der Ausgang der DNA-Reparatur in verschiedenen Organismen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen kann, gehörte zu den überraschendsten Erkenntnissen unserer Studie“, fügt Constantinos Patinios hinzu, ehemaliger Postdoktorand in Beisels Labor.
Von diesem Werkzeug erhoffen sich die Forschenden zahlreiche Anwendungen für die Präzisionsbiotechnologie und medizinische Therapieentwicklung. Konkret könnten Mikroben gezielt verändert werden – etwa um natürliche, gesundheitsfördernde Bakterien im menschlichen Körper zu optimieren oder Krankheitserreger besser zu erforschen. In menschlichen Zellen könnte die punktgenaue Editierung künftig auch dabei helfen, erbliche Krankheiten präzise zu korrigieren und DNA-Reparaturprozesse in Zellen zu verstehen.
Die zielgerichtete Editierung von Erbinformationen hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt. Technologien wie die Genschere CRISPR-Cas9 oder das Base Editing – ein Verfahren, das punktuelle Änderungen in der DNA ermöglicht, ohne diese zu zerschneiden – sind längst in der Wissenschaft und klinischen Forschung etabliert. Sie haben das Potenzial, genetische Krankheiten zu behandeln, Pflanzen resistenter gegen Schädlinge zu machen oder Bakterien für biotechnologische Zwecke zu optimieren.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden jüngst in <link https: www.nature.com articles s41587-025-02802-w _blank>Nature Biotechnology veröffentlicht.