Biologen lernen von Ingenieuren: Die synthetische Biologie will das Genom und den Stoffwechsel planvoll umbauen und f\u00fcr den Menschen nutzbar machen. Biokraftstoffe, auf Naturstoffen basierende Medikamente oder sogar synthetische Lebensformen sind das Ziel. Vieles wird wohl Utopie bleiben, aber manches k\u00f6nnte unser Leben sp\u00fcrbar ver\u00e4ndern.<\/p>\n
Die Biologie ist traditionell eine Wissenschaft, die sich weitgehend auf das Beobachten beschr\u00e4nkt. Erst in den 1970er Jahren entwickelten Molekularbiologen Methoden, mit denen sie gezielt in das Erbgut von Zellen eingreifen konnten. Zun\u00e4chst blieben diese Eingriffe jedoch auf einzelne Gene beschr\u00e4nkt. Heute ist die Gentechnik so weit vorangeschritten, dass ganze Stoffwechselvorg\u00e4nge und Signalwege manipuliert werden k\u00f6nnen. Ein neuer Zweig der Biologie hat sich daher ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: Nicht mehr nur beobachten, sondern auch neu erschaffen. Um das Jahr 2000 herum fand sich auch eine passende Bezeichnung f\u00fcr das Feld – synthetische Biologie.<\/p>\n
Bald stellten sich die ersten Erfolge ein. Mit gro\u00dfem Medienecho wurde 2010 ein angeblich “synthetisches Lebewesen” vorgestellt, dessen Erbgut aus Synthesemaschinen stammte (Gibson et al., Science 2010: Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome). Weniger medienwirksam – aber vielleicht mit gr\u00f6\u00dferer Tragweite – war die Erschaffung eines recodierten Organismus, der einem umprogrammierten genetischen Code gehorcht (Genomisch recodierte Organismen – n\u00fctzlich und harmlos). Und den grunds\u00e4tzlichen Beweis, dass synthetische Biologen praxistaugliche Produkte entwickeln k\u00f6nnen, lieferte ein Medikament: Das Malariamittel Artemisinin, urspr\u00fcnglich aus einer seltenen Pflanzenart gewonnen, kann seit 2006 in Hefen erzeugt werden (Ro et al., Nature 2006: Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast).<\/p>\n
Die synthetische Biologie vereint Wissenschaftler aus vielen Disziplinen, und da verwundert es nicht, dass eine einheitliche Definition unm\u00f6glich ist. Selbst Experten sind sich untereinander nicht einig – jeder versteht unter synthetischer Biologie etwas anderes (Nature Biotechnology 2009: What\u2019s in a name?). Doch der zentrale Punkt ist unstrittig: Die synthetische Biologie will etwas Neues schaffen, das es so in der Natur nicht gibt. Als Vorbild dienen Ingenieure, die einen Bauplan entwerfen und auf dieser Grundlage neue Maschinen konstruieren. Vorgefertigte Teile oder Module – oft mit Legosteinen verglichen – spielen in diesem Konzept eine zentrale Rolle.<\/p>\n
Organismen sollen aus BioBricks zusammengebaut werden<\/p>\n
Die Legosteine spielen auf den englischen Begriffs “BioBricks” an: Eigenst\u00e4ndige Module, die Forscher aus einzelnen Proteinen oder einfachen Stoffwechsel- und Signalvorg\u00e4ngen erzeugen. BioBricks werden zentral gespeichert, indem die entsprechenden Gene (in der Form von isolierter DNA) in einer Art Bank hinterlegt werden. Andere Forscher k\u00f6nnen die BioBricks anfordern, sie nach Belieben kombinieren und so vielschrittige Stoffwechselprozesse oder komplexe Signalketten aus ihnen formen.<\/p>\n
Dieser Ansatz der synthetischen Biologie m\u00f6chte neue Systeme erzeugen – von Grund auf (er wird daher oft als “Bottom-up” bezeichnet). Damit dies funktionieren kann, brauchen die Forscher einen Minimalorganismus: Ein Lebewesen, das nur die notwendigsten Gene enth\u00e4lt und eine m\u00f6glichst st\u00f6rungsfreie Umgebung darstellt, in der sich die BioBricks entfalten k\u00f6nnen. Forscher tr\u00e4umen davon, auf diese Weise kleine Fabriken zu erzeugen, die Medikamente oder Biokraftstoffe aussto\u00dfen. Denkbar sind auch Biosensoren, die Schadstoffe in der Umwelt aufsp\u00fcren oder Infektionen erkennen und bek\u00e4mpfen. Den Minimalorganismus gibt es noch nicht, aber manche Forscher arbeiten mit Hochdruck an seiner Entwicklung.<\/p>\n
<\/p>\n
BioBricks hingegen werden bereits seit Jahren flei\u00dfig produziert. 2004 startete eine unabh\u00e4ngige Organisation, die International Genetically Engineered Machine (iGEM) Foundation, im US-amerikanischen Cambridge einen internationalen Wettbewerb: Studenten bilden Teams und bearbeiten selbstgew\u00e4hlte Projekte, die Module f\u00fcr die synthetische Biologie erzeugen sollen. Auf einer gro\u00dfen Abschluss-Veranstaltung konkurrieren die Teams dann um Medaillen und Preise. Erfolgversprechende Module werden eingereicht und in der Standard Registry of Biological Parts gespeichert. Im Laufe der Jahre ist der iGEM Wettbewerb zu beachtlicher Gr\u00f6\u00dfe herangewachsen: Zuletzt haben 190 Teams teilgenommen, die mehr 1800 Module eingereicht haben. Deutsche Teams waren ebenfalls dabei – und oftmals auf den vorderen Pl\u00e4tzen zu finden.<\/p>\n
Doch der Fokus des iGEM Wettbewerbs liegt nicht auf der Erstellung von BioBricks, sondern auf der Ausbildung von Studenten. Und das ist der wissenschaftlichen Qualit\u00e4t nicht zutr\u00e4glich. Die Studenten haben nur einen Sommer Zeit f\u00fcr Projekte, die selbst erfahrene Forschergruppen oft viele Jahre Arbeit kosten. Und so haben die iGEM-Teilnehmer zwar schon tausende Module eingereicht, aber nur die wenigsten wurden auch auf Funktionsf\u00e4higkeit getestet. Viele dieser Module sind vermutlich nicht brauchbar.<\/p>\n
Der Bottom-up-Ansatz k\u00e4mpft noch mit einem anderen Problem – in der lebenden Zelle sind alle Vorg\u00e4nge miteinander vernetzt. Aber Module funktionieren nur dann reibungslos, wenn in einem System alle Teile s\u00e4uberlich voneinander getrennt sind. In einer Zelle ist das Gegenteil der Fall: Hier beeinflusst der Grund-Stoffwechsel die Module, und die Module st\u00f6ren sich gegenseitig. Unerprobte Kombinationen k\u00f6nnen \u00fcberraschende Effekte hervorrufen. Derartige Probleme k\u00f6nnen nur mit gro\u00dfem Aufwand gel\u00f6st werden, gro\u00dfe Fortschritte auf diesem Gebiet sind daher in den n\u00e4chsten Jahren nicht zu erwarten.<\/p>\n
Metabolic Engineering<\/p>\n
Es gibt noch einen weiteren Zweig der synthetischen Biologie, der deutlich weiter fortgeschritten ist. Bei dem “Top-down”-Ansatz werden Zellen nur in den Teilen ver\u00e4ndert, die f\u00fcr das Vorhaben relevant sind. Dieser Ansatz ist schon wesentlich \u00e4lter, da er auch mit den Methoden der klassischen Gentechnik zu realisieren war. Das metabolic engineering etwa befasst sich schon seit vielen Jahren mit der Optimierung von Stoffwechselvorg\u00e4ngen. Doch die Methoden der synthetischen Biologie haben diesem Feld eine neue Qualit\u00e4t verliehen: Die Herstellung des Malariamittels Artemisinin zum Beispiel beruht nicht auf der Optimierung eines bestehenden Prozesses, sondern erforderte die Kombination von unterschiedlichen Enzymen zu einem neuen Stoffwechselweg.<\/p>\n
Andere Top-down-Ans\u00e4tze wie das protein engineering profitieren ebenfalls von den neuen Methoden, so dass hier die Grenzen zwischen klassischer Gentechnik und synthetischer Biologie schwammig werden. Auf diesen Gebieten sind die ersten konkreten Erfolge zu erwarten: Artemisinin ist bereits in der industriellen Herstellung, an der Produktion von Biokraftstoffen durch ver\u00e4nderte Bakterien wird intensiv geforscht. Hier k\u00f6nnte die synthetische Biologie bald Auswirkungen haben, die auch im t\u00e4glichen Leben sp\u00fcrbar sind.<\/p>\n
Sythetische Organismen?<\/p>\n
Doch nicht jeder synthetische Biologe gibt sich mit Details wie Modulen und Optimierungen zufrieden. Im Jahr 2010 synthetisierte der Genomforscher J. Craig Venter das gesamte Erbgut des Bakteriums M. mycoides und verpflanzte es in die verwandte Art M. capricolum – das Erbgut verwandelte das Empf\u00e4nger-Bakterium in die Art M. mycoides. Venter nannte dies eine “synthetische Zelle” und implizierte damit, dass er k\u00fcnstliches Leben erschaffen habe (Der n\u00e4chste Schritt der Gottwerdung). Und der Genom-Pionier George Church machte sich daran, eine seit Jahrmilliarden bestehende Konstante der Natur zu ver\u00e4ndern. Er programmierte Teile des genetischen Codes um und erzeugte einen recodierten Organismus, der neuartige Proteine produzieren kann.<\/p>\n
Diese Entwicklungen sind nicht ohne Risiken. Ver\u00e4nderte Organismen k\u00f6nnten in die Umwelt gelangen und sich dort unkontrolliert vermehren oder ihre ver\u00e4nderten Gene an andere Lebewesen weitergeben – eine potentielle Gefahr f\u00fcr Mensch und Umwelt. Aber im Moment sind diese Risiken schwer zu definieren: Ein echter synthetischer Organismus ist Jahre entfernt, und die aktuellen Gef\u00e4hrdungen unterscheiden sich kaum von denen, die man aus der klassischen Gentechnik kennt. Das ist vielleicht mit ein Grund, warum dieses Thema im \u00f6ffentlichen Bewusstsein fast keine Rolle spielt.<\/p>\n
Die synthetische Biologie geh\u00f6rt zu den j\u00fcngsten Disziplinen der Naturwissenschaften, in den meisten Bereichen steckt sie sogar noch in den Kinderschuhen. Ihre wenigen konkreten Erfolge lassen jedoch erahnen, welches Potenzial in ihr steckt. Viele Top-down-Ans\u00e4tze der synthetischen Biologie werden sich durchsetzen, das kann man getrost prophezeien. Doch ob sie auch ihre k\u00fchnen Bottom-up-Utopien verwirklichen kann, wird sich erst in den n\u00e4chsten Jahrzehnten zeigen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Biologen lernen von Ingenieuren: Die synthetische Biologie will das Genom und den Stoffwechsel planvoll umbauen und f\u00fcr den Menschen nutzbar machen. Biokraftstoffe, auf Naturstoffen basierende Medikamente oder sogar synthetische Lebensformen sind das Ziel. Vieles wird wohl Utopie bleiben, aber manches k\u00f6nnte unser Leben sp\u00fcrbar ver\u00e4ndern. Die Biologie ist traditionell eine Wissenschaft, die sich weitgehend auf […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[],"supplier":[6338],"class_list":["post-18840","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","supplier-international-genetically-engineered-machine"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/18840","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=18840"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/18840\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=18840"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=18840"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=18840"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=18840"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}