Biobricks - Synthetische Biologie

Synthetische Biologie umfasst zwei Bereiche: zum Einen den Entwurf neuer biologischer Bestandteile und Systeme und zum Anderen die Modifikation bestehender Systeme für neue Einsatzzwecke.

Dies geht einen großen Schritt darüber hinaus, in einen Organismus ein paar neue Gene einzuschleusen, um ihm neue Eigenschaften einzupflanzen. Die Idee bei der synthetischen Biologie ist es, neues genetisches Material zu schaffen, das die gewünschten Fähigkeiten kodiert – möglicherweise sogar solche, die es zuvor in der Natur noch nicht gegeben hat.

Die möglichen Anwendungen sind ausgesprochen vielfältig.

Malariabekämpfung ist für viele Länder finanziell immer noch sehr schwierig, aber wenn man dem Bakterium E. Coli verschiedene zusätzliche Gene einbaut, könnte das Bakterium bald in der Lage sein einen sehr günstigen Wirkstoff zu produzieren und man hofft, auch für die Bekämpfung von HIV ein Bakterium anpassen zu können, um einen biologischen Prozess, der im Mamala-Baum stattfindet, nachzuahmen und den Baum selbst zu schützen. Außerdem forsch man an Bakterien, die gegen Bodenkontamination durch Gifte, Schwermetalle und Kampfstoffe aktiv werden könnten.

Mit den heutigen Erkenntnissen ist es schon möglich z. B. ein Bakterium nachzubauen, wie es Craig Venter Anfang 2008 getan hat. Venters Team hat in diesem Experiment das Bakterium Mycoplasma genitialium nachgebaut, welches abgesehen von den krankheiterregenden Bestandteilen und einigen Markern zur Unterscheidung von seinem natürlichen Vorbild alle wichtigen Genen enthält, die auch das Original auszeichnen. Leider funktioniert das neue Bakterium noch nicht, weil noch hier und da Fehler im Genom ausgebügelt werden müssen, bevor alle lebensnotwendigen Proteine synthetisiert werden können.

Das nachgebaute Bakterium ist aber nur ein Schritt auf dem Weg zu einem völlig neuen Bakterium, dessen Stoffwechsel z. B. Wasserstoff erzeugt und damit unsere Energieprobleme löst.

Man kennt bereits zahlreiche Bakterien, die hier und da in ihrem Stoffwechsel Wasserstoff verwenden, man versucht derzeit die entsprechenden Proteine zu isolieren und unabhängig vom Bakterium nutzbar zu machen. Aber es wäre auch spannend die Proteine in andere Bakterien einzubauen, die vielleicht effektiver Wasserstoff produzieren können.

Schaut man sich das Experiment von Craig Venter und seinen Leuten an, so wird klar, eine Strecke von Genen zusammenzusetzen, ist heute kein unüberwindliches Problem mehr (und tatsächlich wurden schon vorher künstliche Viren geschaffen, die freilich noch einfacher aufgebaut sind als andere Mikroben). Die Schwierigkeit besteht darin, in den Genen, die einzelne Proteine produzieren, keinen Fehler einzubauen. Das ist bei natürlichen Genen eine komplizierte Sache, denn selten ist ein Gen nur für ein Protein zuständig. Oft gibt es Überlappungen, Redundanzen und Wechselwirkungen, welche die Isolierung einer einfachen Funktion sehr schwierig machen.

Die Ursache für dieses Chaos im Genom ist die Evolution, sie achtet nicht auf Ordnung und Struktur in ihrer Schöpfung und wenn eine Mutation funktioniert, dann überlebt sie einfach, wenn nicht, na dann eben nicht. Aber das ist nicht wirklich ein intelligentes Design, sondern nur Versuch und Irrtum. Außerdem werden überflüssig gewordenen Bestandteile nicht entfernt, sondern einfach mitgeschleppt – und durch Mutationen werden sie auch noch entstellt, so dass sie nach ein paar Generationen bestenfalls noch als Ballast bezeichnet werden können.

Das ist der Grund, warum Wissenschaftler Wege suchen, den Aufbau des Genoms zu entrümpeln und so Bausteine zu schaffen, die klar definierte Funktionen aufweisen. Man sucht also quasi ein Minimal-Genom und möchte zunächst einmal herausfinden, wie viele und welche Gene überhaupt für das Leben erforderlich sind, und könnte dann von diesem Startpunkt aus wieder anfangen interessante Funktionen hinzuzufügen, bis man einen lebenden Organismus gestaltet hat, der genau das macht, was man sich von ihm wünscht.

Im Fall des oben genannten Mycoplasma genitalium hat man es geschafft etwa hundert Gene abzuschalten, so dass sich das ohnehin schon kleine Genom dieses Bakteriums auf 382 Gene und 43 RNS-Moleküle (Ribonukleinsäuren, die bei der Regulierung der DNS eine Rolle spielen) reduzieren ließ – wie erwähnt funktioniert das Genom in dieser Form leider noch nicht und die Gene müssen in eine bestehende Zelle, aus der das eigene Genom zuvor entfernt wurde, implantiert werden, da man nicht in der Lage ist das Cytoplasma (das wässrige Medium im inneren der Zellen) künstlich herzustellen.

Von echtem künstlichen Leben ist man also noch ein gutes Stück entfernt, aber die Idee Biobausteine zu nehmen und bestehenden Organismen neue Funktionen hinzuzufügen, setzt sich durch und lässt langsam eine neue ingenieurwissenschaftliche Disziplin entstehen, die synthetische Biologie.

Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt Dr. Drew Endy deshalb die Idee der „BioBricks“ von Dr. Tom Knight weiter. Diese genetischen Legosteine haben Enden, die sich universell verbinden lassen, und sie können, wie Legosteine, aneinandergefügt werden. Da ihre Funktion klar definiert ist, braucht man sich aus dem Baukasten der Bioingenieure nur noch die gewünschten Teile herauspicken, zusammenfügen und synthetisieren. Weil das von Venter gesuchte grundlegende Betriebssystem der Zelle noch nicht funktioniert, muss man das Gebilde derzeit noch in ein bereits funktionierendes Bakterium einbauen, aber damit hat man schließlich aus der Gentechnik viel Erfahrung.

Der Biodesigner oder Bioingenieur ist mit seinen neuen Bausteinen in der einmaligen Position, dass er nicht verstehen braucht, wie ein BioBrick im Detail funktioniert, sondern nur noch nach gewünschtem Ergebnis die nötigen Funktionen auswählt.

Noch steckt die Forschung in den Kinderschuhen, aber wenn sich die neue Disziplin durchsetzen soll, muss man Standards für die Biobausteine festlegen, um die Interoperabilität der Wetware zu gewährleisten und sozusagen offene Programmierschnittstellen zu gewährleisten. Tatsächlich gibt es inzwischen freie Datenbanken für eine ganze Reihe von diesen standardisierten Bausteinen, in denen man sich das passende Bauteil heraussuchen kann, um z. B. Bananengeruch herzustellen.

Als nächstes droht dann allerdings das Biohacking und Virenabwehr für die neuen künstlichen biologischen Systeme, denn wenn man Biologie, wie ein Computerprogramm schreibt, ist das die logische Fortsetzung des Gedankenspiels.

Biologische Systeme nach Gutdünken zu verändern, birgt immer auch Risiken, die durch standardisierte Bauteile vielleicht gemindert werden können. Wie bei allen Errungenschaften der Menschen liegt die Verantwortung für die Anwendung bei denjenigen, die diese neue Technik einsetzen wollen. Die Möglichkeiten, die sich bieten sind jedoch faszinierend und gerade in der günstigen Produktion von bisher schwierig zu gewinnenden Medikamenten oder der effektiven Produktion von Energieträgern können die neuen Designorganismen in Zukunft eventuell helfen Probleme in den Griff zu bekommen – vorzugsweise ohne neue zu schaffen, aber das sieht man ja manchmal erst hinterher.


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