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Was wie eine Science-Fiction-Geschichte klingt, ist Realität. Der Fachbereich, der dies möglich macht, nennt sich „synthetische Biologie“. Synthetische Biologie kann im Wesentlichen als designbasierte Konstruktion von biologischen Systemen bezeichnet werden. Hier können Experten aus verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel der Biotechnologie, der Gentechnologie, den Membranwissenschaften oder der Computertechnik tätig werden. Es gibt keinen eindeutigen Startzeitpunkt, […]

Was wie eine Science-Fiction-Geschichte klingt, ist Realität. Der Fachbereich, der dies möglich macht, nennt sich „synthetische Biologie“. Synthetische Biologie kann im Wesentlichen als designbasierte Konstruktion von biologischen Systemen bezeichnet werden. Hier können Experten aus verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel der Biotechnologie, der Gentechnologie, den Membranwissenschaften oder der Computertechnik tätig werden.

Es gibt keinen eindeutigen Startzeitpunkt, der den Beginn der synthetischen Biologie markiert. Ein definierendes exemplarisches Ereignis fand jedoch um die Jahrtausendwende statt. Im Jahr 2000 erschienen zwei Nature Artikel, die sich mit der Etablierung von synthetischen biologischen Schaltkreisen in E. coli befassten [1,2].

Generell hat die synthetische Biologie zwei wichtige Ziele. Erstens strebt sie danach biologische Systeme mit neuen, für die Menschheit nützlichen, Eigenschaften zu schaffen. Zweitens ist es ihr Anliegen, dass diese lebenden Organismen kontrollierbar sind [3].

Indem sie sich die Programmierbarkeit des genetischen Codes, analog zu einem Software-Programmiercode, zu Nutze macht, ist die synthetische Biologie in der Lage, Organismen zu modifizieren. Synthetische Biologen können Zellen somit gezielt programmieren (ähnlich wie einen Computer). Die Schaltungen können vordefinierte Inputs erfassen und in gewünschte Outputs übersetzen. Untenstehend der Vergleich zwischen Computer und Zelle in diesem Zusammenhang:

Im Prinzip gibt es zwei Methoden um Organismen mit neuen Eigenschaften synthetisch herzustellen [5]. Das Konzept der „Bottom-Up“ Methode kann mit einer Art Baukasten verglichen werden. Hier werden nur die Bauteile verwendet, die wirklich benötigt werden und daraus wird etwas von Grund auf neu erschaffen (in vitro). Demgegenüber steht die „Top-Down“ Technologie. Sie verwendet existierende Organismen und reduziert diese auf ein Minimum (in vivo).

2011 gelang es der Arbeitsgruppe um Craig Venter erstmals eine Minimalzelle (namens „Synthia“) mittels der Bottom-Up Methode zu erschaffen. Sie beinhaltete alle lebensnotwendigen Gene und biomolekularen Maschinerien. Der Biotechnologe Craig Venter sagte, dass Synthia „die erste selbst replizierende Spezies auf der Welt ist, deren Elternteil ein Computer ist“ [6].

Aufgrund der neuen Möglichkeiten die synthetisch modifizierte Organismen mit sich bringen, wie zum Beispiel erhöhte Stabilität, besseres Wachstum und günstige High-Volume Proteinproduktion, ist es wahrscheinlich, dass sie die meisten gängigen kommerziellen Bakterienstämme bald ersetzen werden. Nicht nur der schnell wachsende Markt für künstlich hergestellte Lebensmittel (insbesondere Fleisch), sondern auch die Energie-, Chemie- und Biowissenschaftsbranche gehören zu den Industrien, die von dieser „Ära der Design-Biologie“ profitieren werden.

Einer der frühesten und viel gefeierten Erfolge der synthetischen Biologie war die Herstellung eines Vorläufers des Antimalariamittels Artemisinin (Sanofi) in Hefen. Forscher in Berkeley fügten neue Gene, die Enzyme für die Artemisininsynthese kodieren, in Hefen ein. Die Arbeitsgruppe optimierte die Menge an Protein die je Gen produziert wurde. Die Kombination der einzelnen Prozesse im Stoffwechselweg war in der Natur vorher so noch nicht vorhanden [3].

Nicht nur spezifische Behandlungen wie Artemisinin, sondern auch alltägliche Güter wie Vanillin und Safran können von synthetisch hergestellten Organismen produziert werden. Dies ermöglicht eine enorme Senkung der Produktionskosten und lässt vermuten, dass dies in naher Zukunft auch für andere Güter der Fall sein wird.

Wenn wir dabei sind über die Zukunft zu sprechen, ist auch von Interesse, dass sich in diesem Sektor aktuell sehr viel tut. Nicht nur im Bereich der Finanzierung (die im zweiten Quartal 2018 viermal so hoch ausfiel wie im vorherigen Jahr), sondern auch in Bezug auf Innovationen – es wird immer mehr getestet und vorangetrieben. Ein sehr interessantes Beispiel ist eine mögliche Krebstherapie. Aktuelle Therapien wie CAR-T-Zelltherapien haben noch Verbesserungspotential wegen teilweisem unspezifischen Anvisierens von gesunden Patientenzellen. Dies führt leider zu unerwünschten Nebenwirkungen [7]. Um dieses Problem anzugehen, programmierte die Gruppe um Zhen Xie und Ron Weiss vom MIT im Jahr 2011 eine logische Multi-Input-Sensorschaltung, um spezifische Krebszellen mit hoher Sicherheit zu identifizieren [8].

Und wie haben sie das gemacht?

Die Gruppe führte einen biologischen Schaltkreis in Herpes Simplex Viren (HSV) ein [7]. Dieses Virus kann sich im gesamten Organismus (z. B. einer Maus) verteilen und in die Körperzellen eindringen. In der Zelle angekommen, kann der Schaltkreis sechs Inputs erfassen. Wenn diese mit einem vordefinierten Input-Profil übereinstimmen, haben sie erfolgreich eine Brust- oder Hautkrebszelle identifiziert. Anschließend wird ein „Killerprotein“ freigesetzt und die Zelle getötet.

Die letzten Jahre haben sie daran gearbeitet, die Fehlerrate zu reduzieren und sind nun kurz davor in die erste klinische Phase überzugehen [7].

Die synthetische Biologie bringt wirklich sehr viel Potential mit sich. Je mehr gut charakterisierte biologische Schaltkreise und leicht kontrollierbare synthetische Organismen wir erschaffen können, desto schneller und kostengünstiger können wir neue Funktionalitäten in Organismen entwickeln. Eines Tages werden wir über Zellen als nützliche kleine Maschinen nachdenken, die Krebs bekämpfen, Energie für unsere Autos bereitstellen und so günstige Medikamente produzieren, damit diejenigen, die sie brauchen, sich diese tatsächlich leisten können.

Wie in jedem neuen und schnell wachsenden Bereich üblich, gehen Wachstum und Entwicklung oft mit Hürden einher, die es noch zu überwinden gilt. Da HSV ein vorhandener Organismus ist, der zum Transport der Schaltkreise in die Zellen verwendet wird, gibt es nur begrenzt „Speicherplatz“ ähnlich wie bei einem USB-Stick. Dieser wird mit steigender Komplexität der Schaltkreise bald aufgebraucht sein und man wird nach Alternativen suchen müssen. Ein weiterer wichtiger Punkt, der im Detail durchdacht werden muss, ist das Verhalten in der Natur, das man nur schwer vorhersagen kann [7]. Man nehme an, dass ein modifizierter Organismus (wächst schnell und produziert eine Chemikalie) aus dem Produktionsbereich / Labor entkommt und in das Ökosystem eindringt. Was passiert dann? Ist es möglich, einen „Aus-Schalter“ einzubauen? Dies sind mögliche exemplarische Fragen, die in den kommenden Jahren von Forschern aufgegriffen werden könnten.

Ich selbst möchte mit einer Frage schließen, die in meinem Kopf umherschwirrt, seit ich von der synthetischen Biologie gehört habe:

Was bedeutet Leben und ist es an der Zeit unser Verständnis davon neu zu definieren?

Quellen:

  1. Elowitz MB, Leibler S (January 2000). „A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators“. Nature. 403(6767): 335–8. doi:1038/35002125PMID 10659856.
  2. Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ (January 2000). „Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli“. Nature. 403(6767): 339–42. doi:1038/35002131PMID 10659857.
  3. http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2011/issue88/ (letzter Aufruf am 28.08.2018)
  4. https://sciencebasedmedicine.org/left-brain-right-brain-myth/ (letzter Aufruf am 28.08.2018)
  5. Jewett, M. C., & Forster, A. C. (2010). Update on designing and building minimal cells. Current Opinion in Biotechnology, 21(5), 697–703. http://doi.org/10.1016/j.copbio.2010.06.008
  6. https://www.boell.de/de/dossier-synthetische-biologie (letzter Aufruf am 28.08.2018)
  7. Gabrielczyk T, Laqua M, Kühr M et al. (Juli 2018) “BioTechnologie Jahrbuch 2018”. Biocom. ISBN 978-3-928383-67-7
  8. Zhen Xie, Liliana Wroblewska, Laura Prochazka, Ron Weiss, Yaakov Benenson (September 2011). “Multi-Input RNAi-Based Logic Circuit for Identification of Specific Cancer Cells”. Science. 333 (6047). doi: 10.1126/science.1205527
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