Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome

Abstract

Durch automatisierte Selektion wurde ein E.‐coli‐Stamm, der keine Thyminnucleotide synthetisieren kann, in einen chemisch modifizierten Organismus umgewandelt, dessen DNA‐Genom aus Adenin, Cytosin, Guanin und dem künstlichen Thyminanalogon 5‐Chloruracil besteht. Sich entwickelnde Zellen wurden zu Beginn als irreguläre Filamente beobachtet und nahmen dann immer stärker wieder die Gestalt kurzer Stäbe an, wie sie typisch für Wildtyp‐E. coli ist (siehe Bild).

Structure, stability and function of 5-chlorouracil modified A:U and G:U base pairs

“…Our investigation of the structure, stability and function of DNA duplexes with ClU in place of T was motivated by the recently demonstrated genome-wide transliteration of T with ClU in E. coli by combining tight metabolic selection and long-term automated cultivation of bacterial populations (13). Among nucleobases, only thymine is unique to DNA and the fact that its metabolism is separated from RNA biosynthesis provides an opportunity to replace it in vivo by starvation and exogenous introduction of unnatural alternatives (33).…”

“…Among the analogs with fluoro-, bromo-, chloro- or iodo-substituents, ClU exhibits the closest likeness to T (14), is readily converted to the nucleoside triphosphate in the cell (35) and lacks the photolabile behavior of BrU and IU (36). Starting from an E. coli strain lacking thymidylate synthase and furnishing exogenous ClU instead of T, 25 weeks of selection in a cultivation device yielded a strain with A, G, C and 90% ClU and 10% T in its genome (13). Through additional disruption of the tRNA U54 methyltransferase gene, the ClU content was further reduced to <2%.…”

“…Marlière et al (13) recently evolved genomic DNA composed of the three canonical bases A, C and G and the artificial base ClU in an E scherichia coli strain lacking thymidylate synthase and requiring exogenous T. Selection over 25 weeks in a specially developed cultivation device yielded descendants that grew essentially with only ClU instead of T. The DNA of adapted bacteria contained 90% ClU and 10% T and this residual fraction was forced to <2% by disrupting the trmA gene for tRNA U54 methyltransferase.…”

Auf dem Weg zu chemisch veränderten Organismen mit genetischer Firewall

“…[2] Die Autoren haben gezeigt, dass T durch sein nichtkanonisches Analogon 5-Chloruracil (c) im Genom von Escherichia coli ersetzt werden kann und die Nachkommen dieser Bakterien die Fähigkeit erworben haben, c zu verwenden. Dies wurde mithilfe gezielter Modifikationen des T-Biosynthesewegs und durch erfolgreiche Zuchtwahl von robusten E.-coli-Varianten mit der Fähigkeit zum Wachstum auf c erreicht.…”

“…Eine umfassende genetische Isolation ist aber nur mit den Zellen Abbildung 1. Marlire-Mutzel-Experiment -chemische Evolution eines bakteriellen Genoms: [2] Graphische Darstellung der Morphologie der E.-coli-Zellen, abgeleitet aus den Stämmen THY1 (links), THY5 (Mitte) und CLU5 (rechts). Die Grafiken wurden auf Basis von Mikroskopaufnahmen erstellt, die uns R. Mutzel und P. Marlire freundlicherweise zur Verfügung gestellt haben.…”