Synthetische Biologie

Die synthetische Biologie ist ein Fachgebiet im Grenzbereich von Molekularbiologie, organischer Chemie, Ingenieurwissenschaften, Nanobiotechnologie und Informationstechnik. Sie wird von einigen ihrer Vertreter als die neueste Entwicklung der modernen Biologie bezeichnet.^[1][2]

Im Fachgebiet synthetische Biologie arbeiten Biologen, Chemiker und Ingenieure zusammen, um biologische Systeme zu erzeugen, die in der Natur nicht vorkommen. Der Biologe wird so zum Designer von einzelnen Molekülen, Zellen und Organismen, mit dem Ziel biologische Systeme mit neuen Eigenschaften zu erzeugen.^[1][3][4]

Dabei werden verschiedene Strategien verfolgt:

• Künstliche, biochemische Systeme werden in Lebewesen integriert, die dadurch neue Eigenschaften erhalten.
• Entsprechend den biologischen Vorbildern werden schrittweise chemische Systeme so aufgebaut, dass sie bestimmte Eigenschaften von Lebewesen aufweisen (biomimetische Chemie).
• Organismen werden auf ihre allernotwendigsten Systemkomponenten reduziert (Minimalorganismus), der als Chassis dient, um durch den Einbau von sogenannten bioparts biologische Schaltkreise zu erzeugen.

Im Unterschied zur Gentechnik werden nicht nur z. B. einzelne Gene von Organismus A zu Organismus B transferiert, sondern das Ziel der synthetischen Biologie ist es, komplette künstliche biologische Systeme zu erzeugen. Diese Systeme sind der Evolution unterworfen, sollen aber bis zu einem gewissen Grad „mutationsrobust“ gemacht werden.^[5]

Geschichte

Bereits 1912 veröffentlichte der Franzose Stéphane Leduc eine Arbeit mit dem Titel „La Biologie Synthétique“, die sich mit der Bildung von pflanzenartigen Formen beschäftigte, wenn man Schwermetallsalze in eine wässrige Lösung von Natriumsilicat gibt, ein so genannter Chemischer Garten. Im Unterschied dazu formulierte der Chemiker Emil Fischer bereits Ende des 19. Jahrhunderts das Programm einer gezielten chemischen Veränderung von Organismen für technische Zwecke, für das er 1915 erstmals den Ausdruck „chemisch-synthetische Biologie“ verwendete.^[6].

1978 schrieb Waclaw Szybalski in seinem Kommentar zum Nobelpreis in Medizin für die Arbeiten von Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Smith^[7] über Restriktionsenzyme: The work on restriction nucleases not only permits us easily to construct recombinant DNA molecules and to analyze individual genes but also has led us into the new era of synthetic biology where not only existing genes are described and analyzed but also new gene arrangements can be constructed and evaluated.^[8]

1980 verwendete die Biologin und Wissenschaftsjournalistin Barbara Hobom den Begriff bei der Beschreibung rekombinanter Bakterien als Synonym für die Anwendung gentechnologischer Methoden.^[9]

2000 bezeichnete Eric Kool auf dem Jahrestreffen der American Chemical Society in San Francisco die Integration künstlicher chemischer Systeme in Lebewesen als Synthetische Biologie.^[10] und etablierte damit das heutige Verständnis dieses Begriffs.

2004 fand die erste internationale wissenschaftliche Konferenz zur synthetischen Biologie am MIT in den USA statt, die SB 1.0. Darauf folgten im Jahr 2006 die SB 2.0 (Berkeley, USA), 2007 die SB 3.0 (Zürich, Schweiz) sowie 2008 die SB 4.0 (Hongkong, China). Die SB 5.0 fand im Juni 2011 auf dem Gelände der Stanford University in Kalifornien, USA, statt.^[11]

2007 beantragten Forscher des J. Craig Venter Institute (Rockville, Maryland) in den USA Patentschutz für ca. 400 Gene, die ein im Labor konstruiertes Bakterium „betreiben“ sollen. Laut Patentantrag sollen die eigenen Gene des Bakteriums zunächst entfernt und anschließend die im Labor zusammengestellten Gene eingebracht werden, mit dem möglichen Ziel, Wasserstoff oder Ethanol zu produzieren.^[12]

Im Januar 2008 berichtete eine Forschergruppe um Craig Venter, es sei erstmals gelungen, das Erbmaterial eines Bakteriums komplett synthetisch herzustellen. Vorbild für den Nachbau des Genoms sei Mycoplasma genitalium gewesen, als Name des synthetischen Nachbaus wurde Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 gewählt.^[13]

Im Mai 2010 veröffentlichten Forscher des J. Craig Venter Institute, ihnen sei es gelungen, das vollständige, im Labor synthetisierte Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides in eine DNA-freie Zelle von Mycoplasma capricolum einzuführen. Das synthetische Genom habe in der Zelle für Eiweiße von Mycoplasma mycoides kodiert, so dass die Bakterienzellen sich normal vermehrten.^[14]

Konstruktion von DNA

Die Abwandlung des Konstruktionsprinzips der natürlichen DNA und ihr Verhalten in Bakterien führte einerseits zur Revision einiger Modellvorstellungen und ergab andererseits eine neue Diagnosemöglichkeit für Aids und Hepatitis (branched DNA diagnostic assay).

Ein neues Rückgrat

Um die Möglichkeiten zu erforschen, Gene mit Hilfe der Antisensetechnik gezielt auszuschalten, wurde in den 1980er Jahren mit modifizierter DNA experimentiert. Da das Rückgrat eines Polynukleotidstranges aus stark wasseranziehenden (hydrophilen) Bausteinen (Phosphat und Zucker bei der DNA Desoxyribose) besteht, mussten diese durch fettanziehende (lipophile) Bausteine ersetzt werden, um die Moleküle durch die innere, lipophile Schicht der Zellmembran hindurchschleusen zu können. Man ging dabei davon aus, dass das veränderte Rückgrat keine Auswirkung auf die Erkennung der komplementären Basen durch die Polymerasen hat. Der Ersatz der Rückgratbausteine führte aber zu so vielen fehlerhafter Basenpaarungen bei der Verdopplung (Replikation) der DNA, dass die DNA-Doppelhelix nicht stabil war.

So ergab der Ersatz der Nukleotide durch PNAs (polyamide-linked nucleic-acid analogues, den natürlichen Nukleinsäuren analoge Moleküle, deren Basen durch Polyamide verknüpft sind) Ketten, die nicht mehr als 15 bis 20 Bausteine enthielten.

Der Ersatz der Ribose durch andere, weniger hydrophile Moleküle ergab ähnliche Ergebnisse. Allerdings verhielten sich Nukleinsäuren mit Threose besser als ihre natürlichen Vorbilder. (In natürlichen Systemen würde eine zu hohe Stabilität der Basenpaarungen die Variationsmöglichkeiten und damit die Anpassungsfähigkeit durch Evolution einschränken.)

Damit wurde deutlich, dass das Phosphat-Ribose-Gerüst eine wichtige Rolle für das Erkennungssystem der Polymerasen spielt.

Erweiterung des Genetischen Codes

Wasserstoffbrückenbindungen eines Adenin-Thymin Basenpaars

Wasserstoffbrückenbindungen eines Guanin-Cytosin Basenpaars

Der Genetische Code beruht auf vier verschiedenen Basen von denen jeweils zwei zueinander komplementär sind. Basis der Komplementarität sind Zahl und räumliche Ausrichtung der funktionellen Gruppen, welche die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Purin- und Pyrimidinbasen ermöglichen. Dabei fungiert ein Wasserstoff der Aminogruppe (–NH₂) oder der Wasserstoff des Stickstoffs im Heterozyklus als Donor (D), Carbonylsauerstoff oder heterozyklischer Stickstoff mit einem nichtbindenden Elektronenpaar als Acceptor (A).

Theoretisch ergeben sich für die Kombination von Purinen (pu) mit komplementären Pyrimidinen (py) 12 Kombinationsmöglichkeiten für drei Wasserstoffbrückenbindungen:

Damit ist es möglich, den Genetischen Code um vier neue Basenpaare zu erweitern. Mit einer modifizierten Polymerase lässt sich eine DNA, die auch diese Basenpaare enthält, replizieren.

Untersuchungen mit diesem modifizierten Replikationssystem haben gezeigt, dass die DNA-Reparaturenzyme nicht, wie das bis dahin gültige Modell vorschlug, die kleine Furche der DNA-Doppelhelix entlangwandern und den Nukleotidstrang nach nichtbindenden Elektronenpaaren der Wasserstoffbrücken-Donatoren absuchen.

Konstruktion von Enzymen

Bereits 1983 begann Kevin Ulmer mit den Grundzügen des Proteindesigns die Aminosäuresequenzen von Enzymen zu verändern, um neue katalytische Eigenschaften erzeugen zu können. Ziel war es bestimmte, in verschiedenen Enzymen immer wieder vorkommende, Domänen wie α-Helix oder β-Faltblatt als Grundbausteine zu isolieren und sie so zu modifizieren, dass sie als Module wie bei einem Baukastensystem zu verschiedenen neuen Enzymen mit vorbestimmten Eigenschaften zusammengesetzt werden können.^[15] Da die Wechselwirkungen vor allem zwischen weiter entfernten Aminosäureresten zur Zeit kaum bekannt sind, konnte dieses Ziel nicht erreicht werden. Allerdings wurden bei diesen Forschungen Enzyme entwickelt, die als Polymerase für die DNA-Sequenzierung, als reverse Transkriptase für die Vermehrung künstlicher genetischer Systeme und als Enzyme in Waschmitteln Verwendung finden.

Konstruktion von Stoffwechselwegen

Mit Hilfe der Rekombinationstechnik können transgene Organismen bestimmte Stoffe synthetisieren, die sie mit ihrer natürlichen Genausstattung nicht hätten herstellen können. Dabei wird in der Regel ein Strukturgen mit dem entsprechenden Promotor und Steuergenen in das Wirtsgenom integriert. Mit Hilfe des vorhandenen Stoffwechselweges wird dieses Gen exprimiert, der gewünschte Stoff hergestellt (Beispiel: Synthese von Insulin durch das Bakterium Escherichia coli).

Die synthetische Biologie geht bei der Konstruktion neuer Stoffwechselwege noch einen Schritt weiter. Ziel ist ein modulares System von exprimierbaren Genen, die in einem Wirtsorganismus je nach Bedarf zusammengefügt werden und nicht nur die vorhandenen, natürlichen Stoffwechselwege nutzen, sondern auch neue in der Zelle etablieren.

Da auch hier die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen den zahlreichen Stoffwechselwegen und ihrer Regulation nur unzureichend bekannt sind, konnte bis jetzt ein Modulares System nicht aufgebaut werden.

Amorphadien

Es konnte aber in einem Escherichia-coli-Stamm der Stoffwechselweg von Acetyl-CoA zu Amorphadien eingerichtet werden. Dieser Stoff ist eine Vorstufe zu Artemisinin, das als Medikament gegen Malaria eingesetzt werden kann. Für diesen Stoffwechselweg wurden Gene aus der Blutregenalge (Haematococcus pluvialis) und Hefe (Saccharomyces cerevisiae) verwendet.

Artemisin wird vom Einjährigen Beifuß (Artemisia annua), allerdings nur in ungenügenden Mengen, hergestellt.

Konstruktion von biochemischen Signalwegen

Grundlage ist die Regulation der Genexpression, bei der zum Beispiel ein Signalmolekül ein die Transkription blockierendes Eiweißmolekül (Repressor) dergestalt verändert, dass es den Weg für die RNA-Polymerase und damit für die Enzymsynthese eines bestimmten Stoffwechselweges freigibt. Dieser Stoffwechselweg produziert wieder Moleküle, die ihrerseits als Signalmoleküle für Induktion oder Repression der Expression bestimmter Gene dienen können.

Die erste Kombination von zwei verschiedenen Signalwegen gelang mit der Verknüpfung von zwei in der Natur nicht voneinander abhängigen Mechanismen: So konnte durch ein Signal, das eigentlich Wachstum fördert, der Zelltod ausgelöst werden.^[16]

Der Zugang von Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) ist die Schaffung von modularen genetischen Einheiten, den sogenannten „BioBricks“ („biologische Bausteine“). Diese Biobricks sollen, wenn sie in das Genom z.B. eines Bakteriums eingefügt werden, vorher-definierte Aufgaben erfüllen, analog etwa den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind, daher auch die Bezeichnung "biological circuits". Die Idee von Biobricks ist die, dass die Biobricks in dem biologischen Schaltkreis immer eine ganz bestimmte Aufgabe erfüllen, unabhängig von der (zellulären oder genetischen) Umgebung. Allerdings ist nicht sicher, ob die Kontext-Unabhängigkeit in einem komplexen biologischen Schaltkreis hinreichend gewährleistet werden kann, Biobricks befindet sich nach wie vor in einer experimentellen Phase.

Endy konstruierte einen genetischen Schaltkreis, der Bakterien periodisch aufleuchteten ließ. Dieser sogenannte „Repressilator“ besteht aus drei verschiedenen BioBricks, die sich gegenseitig hemmen. Ein Baustein produziert auch ein Fluoreszenz-Protein. Die zeitliche Verzögerung bewirkt in diesem Schaltkreis eine Oszillation:

Schaltkreis des Repressilators (R1, R2, R2 sind die von den entsprechenden Genen codierten Repressormoleküle, A ist ein Aktivatormolekül)

Zwar ahmen diese genetischen Schaltkreise technische nach, es bestehen aber grundsätzliche Unterschiede, die eine technologische Anwendung erschweren:

• Genetische Schaltkreise sind in das Genom von Lebewesen integriert, die sich vermehren und mit der Umwelt in Wechselwirkung stehen. Die Fremdgene sind damit der Evolution ausgesetzt. So konnte man beobachten, dass nach einer Stunde bereits 58 % der manipulierten Zellen nicht mehr das gewünschte Verhalten zeigten.
• Die Bausteine stellen Fremdkörper in den Wirtsorganismen dar. Sie entziehen für ihre Funktion den Zellen Nährstoffe, so dass die Vitalität der Wirte vermindert ist.
• Die Bausteine erhöhen die Komplexität der Wirtszelle. Diese Komplexität erlaubt in der Regel keine exakten Voraussagen wie in den entsprechenden einfachen, ausschließlich auf Naturgesetzen beruhenden technischen Systemen.
• In technischen Systemen können Signale auf Grund der Verdrahtung gezielt an ihren Bestimmungsort gebracht werden. In biologischen Systemen wirkt sich ein Signalmolekül auf alle Systemelemente aus, die den entsprechenden Rezeptor aufweisen. Wenn also die gleichen Module an verschiedenen Stellen eines Schaltkreises oder in verschiedenen Schaltkreisen verwendet werden, kommt es zu unerwünschten Wechselwirkungen. Dieses Problem wird dadurch umgangen, dass für jeden Schaltkreis in einem Organismus verschiedene BioBricks für dieselbe Funktion eingebaut werden müssen. Dies führt zu einer unerwünschten Vervielfachung der Zahl der Module. In manchen Systemen wird deshalb statt eines Signalmoleküls die Transkriptionsrate der Module (TIPS, transcription initialisings per second) benutzt.
• Die Entwicklung des „Repressilators“ dauerte zwei Jahre. Für die Entwicklung eines E. coli Stammes mit einer Flip-Flop-Schaltung benötigte James J. Collins ein Jahr.

Die Nachahmung elektronischer Schaltkreise erscheint zunächst wie eine Spielerei. Neben dem Erkenntnisgewinn über intrazelluläre Informationswege bestehen aber auch Möglichkeiten zu technologischen Anwendungen. So ist es denkbar, dass mit entsprechenden genetischen Schaltkreisen versehene Bakterien die Anwesenheit von Landminen anzeigen, wobei das Signal eine bestimmte Konzentration von TNT im Boden und die Reaktion ein Aufleuchten in von der Konzentration des TNT abhängigen Farben ist.

Genom-Komplettsynthese

Die ersten Genomsynthesen basierten auf der Fusions-PCR, einer Methode zur Erzeugung von Genen aus Oligonukleotiden.^[17]

• 2002 setzten Jeronimo Cello, Aniko V. Paul und Eckard Wimmer infektiöse Polioviren in vitro zusammen.^[18]
• 2003 gelang Hamilton O. Smith und Craig Venter die Komplettsynthese des Bakteriophagen PhiX174 mit 5386 Basenpaaren.^[19]
• 2005: Teilsynthese des Influenza-Virus durch die Arbeitsgruppe von Jeffery Taubenberger, welches um 1918 für die als Spanische Grippe bekannte Pandemie verantwortlich war.^[20][21]
• Ende 2006 war es möglich, synthetische DNA bis zu etwa 35.000 Basenpaaren zu produzieren.^[22] Obwohl die Größe lebensfähiger Minimalorganismen damals auf nur ca. 110.000 Basenpaare geschätzt wurde,^[23] gelang es zunächst nicht, ein komplettes Prokaryoten-Genom (Bakterien-Genom) zu synthetisieren.
• Erst 2010 gaben Forscher um Craig Venter die Herstellung des künstlichen Bakteriums Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 bekannt. Zuvor hatten sie das 1,08 Millionen Basenpaare umfassende Erbgut eines Laborstammes von Mycoplasma mycoides aus chemischem Rohmaterial synthetisiert und in ein zuvor von der DNA befreites Bakterium von Mycoplasma capricolum übertragen.^[14] Der Publikation in Science zufolge erwiesen sich die mit dem synthetischen Genom ausgestatteten Zellen als selbstreplizierend und zu exponentiellem Wachstum fähig.

Genom-Rekonstruktion

Endy zerlegte mit seinem Team das Genom des Bakteriophagen T7 in seine bekannten funktionellen Einheiten, die stückweise wieder zusammengefügt wurden. Jede Kombination wurde auf ihre Funktion hin geprüft. Dadurch erhoffte man sich, die essentiellen Bestandteile von den überflüssigen, redundanten zu unterscheiden und damit zu erfahren, welches Minimalgenom für den Übergang von unbelebten, chemischen Systemen zu Lebewesen notwendig sind und damit Erkenntnisse über die frühe Evolution der Lebewesen zu erlangen.

Experimente in silico

Kapazitäten und Rechnerleistungen sowie spezielle Algorithmen ermöglichen die Simulation komplexer biologischer Netzwerke im Computer. Dadurch werden die Methoden in vivo (im lebenden Organismus) und in vitro (im Reagenzglas) um die Möglichkeit in silico (wörtlich „im Silicium“) erweitert. Mit dem Computer können Selbstorganisationsprozesse, wie die Bildung von Membranen aus amphiphilen Molekülen in Wasser oder die Faltung von Eiweißmolekülen untersucht und mit den Beobachtungen an natürlichen Systemen verglichen werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Erforschung der Bedeutung der Basensequenzen des menschlichen Genoms (siehe Humangenomprojekt). Dabei werden isolierte Basensequenzen der DNA mit Hilfe des Computers in Aminosäuresequenzen übersetzt. Diese werden mit Sequenzen bereits bekannter Proteine von Modellorganismen wie Taufliege (Drosophila melanogaster), Fadenwurm (Caenorhabditis elegans) oder Darmbakterium (Escherichia coli) verglichen. Anhand der gefundenen Eiweißstruktur wird im Computer das menschliche Proteinmolekül in seiner räumlichen Gestalt konstruiert und untersucht. So lassen sich zum Beispiel noch im Computer Wirkstoffe und Medikamente finden und konstruieren, welche die Funktion dieses Proteins beeinflussen können.

Einen großen Zuwachs an neuen Fragestellungen, Hypothesen und Erkenntnissen erwartet man sich von der Simulation regulatorischer Netzwerke einer Zelle im Computer. So ist es bereits gelungen, das Kammerflimmern des Herzens anhand von vier Genen, die dabei ihre Aktivität ändern, im Computer zu reproduzieren.

Fragen zur Biosicherheit, Ethik und zum geistigen Eigentum

Neben den potenziell positiven Verwendungsmöglichkeiten der synthetischen Biologie müssen auch die potenziell negativen Auswirkungen berücksichtigt werden.^[24] In den USA und teilweise in Großbritannien wird diesbezüglich vor allem das mögliche Missbrauchspotenzial (Dual Use) durch (Bio-)Terroristen diskutiert, was vor allem im Zusammenhang mit dem sogenannten Kampf gegen den Terror gesehen wird. Beispielsweise hat die Sequenzierung pathogener Viren (Spanische Grippe, Polio) zu einer heftigen Diskussion geführt,^[25] ob und wie die Synthese pathogener Genome eingeschränkt werden kann, um einen Missbrauch zu verhindern. Warnungen einiger Wissenschaftler, NGOs und Journalisten^[26] vor Bioterrorismus sorgten für eine erste Sensibilisierung einer breiteren Öffentlichkeit.^[27] Eine von Gensynthese- und Bioinformatik-Firmen gegründete internationale Vereinigung, die {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), hat auf einem Workshop zu technischen Maßnahmen für die Gewährleistung der Biosicherheit in der synthetischen Biologie 2008 in München die Grundlage für einen Report mit einem detaillierten Maßnahmenkatalog gelegt.^[28]

In Europa wird sich eine künftige Diskussion vermutlich weniger um Bioterroristen drehen^[29] als um Fragen zu den unbeabsichtigten Auswirkungen auf die Gesundheit und Umwelt sowie um Fragen der Ethik und des geistigen Eigentums.^[30] Vergangene und aktuelle öffentliche Debatten wie etwa zu gentechnisch verändertem Saatgut oder über Stammzellen zeigen, dass neue Technologien auch Konfliktpotenzial beinhalten können.

Das EU-Projekt „{{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)“ soll die Debatte zu diesem Thema stimulieren, lenken und sicherheitsrelevante und ethische Aspekte der synthetischen Biologie beleuchten.^[31] Ein Teil des Projekts ist die Anregung einer öffentlichen Diskussion zu Fragen der Ethik, öffentlichen Sicherheit (Unfälle, aber auch Terrorismus), geistigen Eigentums, der Regulierung, der öffentlichen Wahrnehmung und Kommunikation.^[32]

Siehe auch

• Mycoplasma laboratorium
• Systembiologie
• Bioinformatik
• Converging Technologies
• Nanobiotechnologie

Literatur

• W. Wayt Gibbs: Künstliche Biomaschinen. In Spektrum der Wissenschaft Oktober 2004, S. 68ff; ISSN 0170-2971
• Steven A. Benner, A. Michael Sismour: Synthetic Biology. In: Nature Reviews Genetics. Band 6, 2005, S. 533–543 (siehe PDF)
• Michael Petter in Laborjournal, Ausgabe 03, 2004 (siehe [1])
• Joachim Schummer: Das Gotteshandwerk: Die künstliche Herstellung von Leben im Labor. Berlin: Suhrkamp (edition unseld), 2011, ISBN 978-3518260395

Presseartikel

• Die Zeit. Projekt Genesis 16. Februar 2006
• Technology Review. Terrorgefahr DNS-Synthese? 14. Juli 2006
• Neue Zürcher Zeitung. Organismen vom Reissbrett 23. August 2006
• Spektrum der Wissenschaft. Synthetische Biologie: Baukasten für Biomaschinen 26. Januar 2007
• APA-Zukunftswissen. "Bio-Ingenieure" auf dem Vormarsch 31. Mai 2007 (pdf)
• Der Spiegel. Konkurrenz für Gott 4. Januar 2010
• weitere Presseartikel

Weblinks

Commons: Synthetische Biologie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Synthetic genomics: options for governance (pdf; 1,68 MB)
• BioBricks-Datenbank
• US community website
• 3. Internationale Konferenz zur Synthetischen Biologie (SB 3.0) in Zürich
• Übersicht über laufende Projekte zur synthetischen Biologie in Europa
• Registry of Standard Biological Parts des Massachusetts Institut of Technology
• International Association Synthetic Biology

Multimedia

• Video Interviews mit Experten und NGOs (auf englisch)
• Comic zur synthetischen Biologie (PDF-Datei; 2,75 MB)

Einzelnachweise