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Ingenieure des Lebens

Synthetische Biologie ist eine Weiterentwicklung der Gentechnologie, in der biologische Systeme mit neuen definierten Eigenschaften konzipiert und nach ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien zusammengebaut werden. Die Synthetische Biologie hat ein weit gefächertes Anwendungspotenzial und verspricht Lösungen für große Zukunftsprobleme wie eine nachhaltige Energieversorgung der Menschheit und die Beseitigung von Umweltschäden. Sie erzeugt aber auch Ängste, dass der Mensch sich als Schöpfer aufspielt und seine Grenzen mit unabsehbaren Konsequenzen für die Zukunft überschreitet, wie die derzeitige Diskussion um die Erzeugung der ersten im Labor synthetisierten Zelle zeigt.

„Synthetische Biologie“ © acatech

Am 21. Mai 2010 veröffentlichte das Wissenschaftsmagazin Science eine Publikation „First Self-Replicating Synthetic Bacterial Cell" aus dem J. Craig Venter Institute (Rockville, Maryland, USA). In dieser wird beschrieben, wie schrittweise ein rein synthetisches Genom hergestellt und in eine DNA-freie Bakterienzellhülle eingeschleust wurde. Daraufhin fing diese „erste synthetische Zelle, die je geschaffen wurde" und „die erste selbstreplizierende Spezies, deren Eltern eine Computerdatei ist" (J. C. Venter in der Pressekonferenz am 20.05.10) an, nach der von den Forschern vorgegebenen genetischen Information Proteine zu synthetisieren und sich fortzupflanzen. Die Nachricht ging sofort um die Welt.

J. Craig Venter - Prophet oder Mephisto? © Florida State University

Für manche Kommentatoren ist dieser bisher spektakulärste Erfolg der „Synthetischen Biologie" ein entscheidender Meilenstein, um die großen Menschheitsprobleme der Zukunft zu meistern: zum Beispiel, um mit künstlichen Organismen unseren Energiebedarf durch Konversion von Kohlendioxid zu decken oder die Umwelt zu reinigen, wie es die jetzige Ölkatastrophe im Golf von Mexiko notwendig macht. Für andere ist dieser wissenschaftliche Fortschritt selbst ein weiterer Schritt hin zur durch menschliche Hybris hervorgerufenen Apokalypse und Venter ihr Mephistopheles: „Der Mensch kann jetzt Schöpfer spielen", titulierte DIE ZEIT am 27.05.2010 und folgerte: „Jetzt scheint alles möglich".

Bei so viel Euphorie auf der einen und Ängsten auf der anderen Seite ist Aufklärung nötig. Dieses Dossier soll dazu beitragen.

Was ist Synthetische Biologie?

Bei diesem neuen Forschungsfeld handelt es sich um eine konsequente Weiterentwicklung der konventionellen Gentechnologie, bei der die Wissenschaftler mithilfe definierter genetischer Bausteine (Module) komplexe biologische Systeme anhand von ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien maßgeschneidert neu zusammensetzen. Es geht nicht um Veränderungen einzelner Gene oder Eigenschaften wie etwa bei transgenen Organismen, sondern um neuartige, bisher in dieser Form nicht existierende, aus mehreren bis vielen Genen bestehende Genomabschnitte oder ganze Genome bis hin zu neuen Organismen (siehe oben). Dabei greift man auf die bewährten Technologien der Molekularbiologie, der rekombinanten Gentechnik, der chemischen Synthese von biologischen Bausteinen und besonders die Nukleinsäure-Synthesen zurück. Es gibt keine scharfe Grenzziehung zur herkömmlichen Gen- und Biotechnologie; die Unterschiede sind eher quantitativer Natur. Synthetische Biologie ist nichts revolutionär Neuartiges; am besten kann man sie anhand ihrer strategischen Zielsetzungen und der an den Ingenieurswissenschaften orientierten Vorgehensweise nach dem Baukastenprinzip beschreiben. Dazu ist natürlich ein Bauplan notwendig, der in der Regel von der computergestützten Systembiologie geliefert wird.

DNA-Doppelhelix © acatech

Bei der Diskussion der rechtlichen und ethischen Aspekte, die sich durch die Fortschritte der Synthetischen Biologie ergeben, stehen sich zwei Lager diametral gegenüber. Die eine Gruppe weist darauf hin, dass gegenüber den etablierten Techniken keine zusätzliche Sicherheitsproblematik entsteht und die vorhandenen Regulierungsinstrumente (Gentechnikgesetz, Arzneimittelgesetz usw.) ausreichen und allenfalls ergänzt werden sollten. Für die andere Gruppe ist die Menschheit gerade im Begriff, eine weitere Schwelle in eine Zukunft mit unabsehbaren Konsequenzen zu überschreiten.

Anwendungen der Synthetischen Biologie

Von den Verfechtern der Synthetischen Biologie wird ihr weit gefächertes Anwendungspotenzial herausgestellt: von der Entwicklung verbesserter und individualisierter Medikamente über spezifische Biosensoren, neuartige Biomaterialien bis hin zur großtechnischen Produktion von Biobrennstoffen und Beseitigung von Umweltschäden. Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech), die die Bundesregierung in technikwissenschaftlichen und technologiepolitischen Zukunftsfragen berät, hat in ihrer Stellungnahme zur Synthetischen Biologie 2009 folgende Themenkomplexe besonders hervorgehoben:

  1. Die chemisch-enzymatische Synthese von Nukleinsäuren bis hin zu kompletten Genomen. Durch gezielte Veränderung und Optimierung von Gensequenzen könnten beispielsweise gentherapeutische Produkte und DNA-Impfstoffe hergestellt werden.
  2. Die Konstruktion von Zellen mit einem Minimalgenom. Diese auf die essenziellen Lebensfunktionen reduzierte genetische Plattform kann als „Chassis" zum Aufbau neuer Funktionen dienen.
  3. Die Synthese von Protozellen, das sind nach biologischen und physikalischen Prinzipien aufgebaute artifizielle Systeme, die als Modelle lebender Zellen dienen können.
  4. Die Produktion von Biomolekülen durch gentechnisches Zusammenfügen kompletter Stoffwechselreaktionswege nach dem Baukastenprinzip.
  5. Der Entwurf regulatorischer Schaltkreise mit empfindlichen sensorischen Funktionen zur Steuerung zellulärer oder industrieller Prozessketten oder -netze.
  6. Der Einsatz modifizierter zellulärer Maschinen im Rahmen orthogonaler Systeme. Dadurch könnten beispielsweise polymere Verbindungen aus chemischen Bausteinen nach dem Reißbrettprinzip hergestellt werden. Orthogonalität bedeutet die freie Kombinierbarkeit unabhängiger Bauteile und ist ein wichtiges Konstruktionsprinzip der Technikwissenschaften und der Informatik.  

Gegenwärtig sind allerdings die meisten Anwendungsbereiche noch Visionen, und Synthetische Biologie spielt sich weitgehend noch in der Grundlagenforschung ab. Diese Einschätzung könnte jedoch bald überholt sein. Das von Venter im Labor erzeugte Mycoplasma mycoides ist noch nicht die Zelle mit dem Minimalgenom, die als Chassis für die vom Menschen gewünschten Syntheseleistungen dient. Aber möglicherweise ist es bis dahin nur noch eine kurze Wegstrecke, und viele Wissenschaftler arbeiten daran, diese zu überwinden. 

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Die somatischen Gentherapie dient der Kompensation von Gendefekten. Dabei wird die korrekte Form des defekten Gen in Körperzellen eingeschleust.
  • Transgene Organismen sind Organismen (Mikroorganismen, Tiere, Pflanzen), denen mit Hilfe gentechnischer Methoden ein fremdes Gen eingeführt worden ist, das von Generation zu Generation weitervererbt wird. Transgene Organismen sind somit gentechnisch veränderte Organismen. (GVO)
  • Das Gentechnikgesetz schafft den rechtlichen Rahmen für die Erforschung bzw. Entwicklung der Gentechnik in Deutschland.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/ingenieure-des-lebens/