das gespräch in vollem gang
und nichts davon für mich bestimmt, gefangen im endlosen
nachmittagslicht. staub. staub. bin ich das insekt, das maßlos
erschöpfte
— Nadja Küchenmeister

Synthetische Biologie und der Traum vom künstlichen Leben

Von | 24. November 2011 | Kategorie: Die Natur | Unkommentiert | 2.083 Aufruf(e)

Der Traum künstlich Leben zu erzeugen – in der Literatur geht er einfacher in Erfüllung, als in der Realität. Goethe ließ seinen Dr. Faust erfolgreich einen Homunkulus in der Retorte erschaffen. Die Alchemie hat unzählige Male versucht dieses Szenario Wirklichkeit werden zu lassen. Sie ist daran ebenso gescheitert, wie am Stein der Weisen. Mit immer umfangreicheren Erkenntnissen aus den Biowissenschaften wird nun erneut versucht das große Ziel zu erreichen.

Das Leben ist vielfältig und kompliziert. Ein Organismus vererbt Eigenschaften (Biologie), verbraucht und erzeugt Stoffe (Chemie) und verfügt durch Nervenzellen über elektrische Rechenleistung (Physik). Die synthetische Biologie ist daher eine hochgradig interdisziplinäre Wissenschaft. In ihr sind verschiedene Elemente aus der Biologie, Biochemie, Chemie und dem Ingenieurswesen vereinigt. Bei so vielen unterschiedlichen Einflüssen ist es schwierig eine exakte Definition zu geben. Eine ungefähre Umschreibung der synthetischen Biologie könnte folgendermaßen aussehen:

Die synthetische Biologie versucht natürliche Synthesen (einschließlich deren Regulation) in Einzelbausteine zu zerlegen. Mit Hilfe dieser Einzelbausteine soll es möglich sein „vom Papier aus“ neue Synthesen zu planen. Darunter auch solche, die in der Natur überhaupt nicht vorkommen. (Bei solchen Synthesen stößt die „klassische“ Gentechnik bereits an ihre Grenzen. Gene können problemlos von einem Organismus in einen anderen eingebaut werden. Aber die Gentechnik kann nur mit bereits vorhandenem Gen-„Material“ arbeiten.)

Ansätze der Synthetischen Biologie

Die Desoxyribonukleinsäure (DNS) ist ein langes Molekül, in dem die genetischen Informationen gespeichert sind. Dank besser werdender chemischer Methoden ist es mittlerweile möglich immer längere DNS-Stränge im Reagenzglas de novo zu synthetisieren. Den Forschern um Craig Venter gelang es vor kurzem das komplette Genom eines Bakterium künstlich herzustellen und in eine Zelle stabil einzubauen. Durch die Genomsynthese in vitro können neben den natürlichen DNS-Bausteinen Adenin Guanin, Cytosin und Thymin neue, “künstliche” Bausteine verwendet werden. Je nach Beschaffenheit dieser Bausteine können auf diesem Weg die Ableseraten eines Gens drastisch erhöht werden.

Außerdem ist die Genomsynthese unverzichtbar, wenn es darum geht die DNS-Stränge zu entrümpeln. Ähnlich wie im Keller hat sich im Genom im Laufe der Jahre (bzw. Jahrmillionen) eine Menge evolutionärer “Krempel” angesammelt, der keine nennenswerte Funktion mehr hat. Durch eine komplette Genom-Neusynthese wäre es möglich diese Altlasten zu entfernen. Auf diese Weise könnte eine Zelle nur mit den DNS-Informationen ausgestattet werden, die zum überleben notwendig sind. Eine solche Zelle heißt Minimalzelle und ist eine der Herausforderungen der synthetischen Biologie. Die Minimalzelle wäre also nichts anderes als künstlich geschaffenes Leben und damit der erste erfolgreiche Schritt zum Homunkulus.

Ist ein solches System an Minimalzellen erst einmal etabliert, besteht der nächste Schritt darin, diese Zellen zur Synthese einzusetzten. Es können wie bei einer Progamminstallation auf einem Rechner neue Infos in den Zellkern eingespielt werden. Beinhaltet das Programm beispielsweise den kompletten Syntheseweg für ein Medikament, könnte der Wirkstoff in hoher Ausbeute und Reinheit gewonnen werden. Für die Pharma-Industrie wäre das ein großer Gewinn.

Natürliche Genregulation in der Zelle

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Lebewesens. Die genetischen Informationen werden in der zellulären Steuerungszentrale, dem Kern, gespeichert. Ein einfaches Beispiel, wie Gene an- und ausgeschaltet werden können, ist folgendes:

Steigt in der Umgebung der Zelle plötzlich die Konzentration an Milchzucker, gelangt ein Signal in den Zellkern. Die Zelle möchte den Milchzucker abbauen, um ihn als Energiequelle nutzen zu können. Das Signal schaltet deshalb ein Gen an, das den Bauplan eines Milchzucker-abbauenden Enzyms enthält. Durch das Enzym sinkt die Milchzuckerkonzentration. Ist der Lactosespiegel unterhalb eines Grenzwertes gesunken, so wird das Gen wieder ausgeschaltet, um eine überflüssige Enzymproduktion zu verhindern.

Schaltkreise, Modularisierung, Bio-Bausteine

Charakteristisch für die synthetische Biologie ist das Bestreben zelluläre Vorgänge zu modularisieren. Auf diese Weise lassen sich z.B. Naturstoffsynthesen in einzelne “Bio-Bausteine” aufteilen und katalogisieren. Aus dem fertigen Katalog können verschiedene Bausteine beliebig miteinander kombiniert werden. So lassen sich völlig neue Stoffe bequem konstruieren.

In ähnlicher Art und Weise sollen die zellulären Regulationsmechanismen katalogisiert werden. Ein Gen muss nicht zu jedem Zeitpunkt aktiv sein. Daher sind An- bzw. Aus-Schalter in der Natur überlebenswichtig. Viele solcher Mechanismen sind bis heute jedoch nicht verstanden oder unbekannt. Ohne Zweifel eine zukünftige Herausforderung für die synthetische Biologie.

Neue Therapien durch Genschalter

Die Erkenntnisse der synthetischen Biologie sind auch im therapeutischen Bereich interessant. Durch die Konstruktion von Genschaltern wären neue Behandlungsansätze möglich. Ein hypothetisches Beispiel ist folgendes:

Blasensteine entstehen durch einen hohen Gehalt an Harnsäure im Urin. Wenn der Urin zu sauer wird, neigt die Harnsäure dazu als Kristalle auszufallen. Die Kristalle reizen die Blasenwand (was recht schmerzhaft ist) und können bei häufigem Auftreten zu Blasenkrebs führen. Eine Therapiemöglichkeit wäre, in die Blasenzellen ein Gen einzuführen, dass für die vermehrte Ausschüttung von Ammoniak sorgt und damit den Urin basischer macht. Die Harnsäure bildet in basischer Umgebung keine Kristalle. Zu basischer Urin ist dauerhaft jedoch nicht gesund. Das eingeschleußte Gen wird daher mit einem pH-Wert abhängigen Rezeptor gekoppelt. Der Rezeptor aktiviert das Gen nur, wenn der Urin zu sauer ist. Das Problem, dass es zu einem dauerhaft basischen Harn kommt, ist passé.

Die synthetische Biologie würde auch neue Strategien für den Antibiotikaeinsatz schaffen. Tuberkuloseerreger sind Pathogene, die in die menschlichen Zellen eindringen. Die bisher eingesetzen Antibiotika werden vom Erreger aufgenommen und von einem Erreger-eigenen Enzym erst in den eigentlichen Wirkstoff umgewandelt. Das Enzym kommt im Erreger jedoch nur in geringer Menge vor. Die Behandlung erfordert deshalb eine große Menge von Medikamenten. Eine neue Strategie beruht darauf ein Molekül zu konstruieren, das in die intrazellulär vorkommenden Erreger eindringt und an die DNS bindet. Die Bindung soll zu einer Hochregulation des Enzyms führen, welches aus dem Medikament den für den Erreger toxischen Wirkstoff erzeugt. Dadurch wäre für eine Tuberkulose-Therapie eine wesentlich geringere Medikamentenmenge notwendig.

Ein Rechner auf Zellbasis?

Ein Regulationsmechanismus führt nicht zwangsläufig zur Aktivierung eines Gens. Genauso kann das Gegenteil der Fall sein, wenn ein Gen inaktiviert wird. Durch den Einbau mehrerer Regulationen in eine Zelle, wäre es möglich einfache Anweisungen wie „Ja“ oder „Nein“ auf biologischer Ebene auszudrücken. Es ist denkbar, dass sich dies zu weitaus komplexeren Aussagen und sogar ganzen Programmen weiter entwickeln lässt. Damit ist die Möglichkeit gegeben einen Computer zu konstruieren, der nicht auf Halbleitermaterialien, sondern lebenden Zellen basiert.

Ausblick

Viele Vorhaben der synthetischen Biologie sind noch Zukunftsmusik. Das Potenzial, das hinter dieser Forschungsdisziplin steckt, ist immens. Und genauso sind es die Risiken. Können Bio-Bausteine zur Produktion von Toxinen für Terroranschläge verwendet werden? Was passiert, wenn künstliches Leben in die Umwelt gelangt? Wie groß ist die Gefahr, dass neue Viren und Krankheitserreger gezielt kreiert werden? Und nicht zuletzt im Hinblick auf das erste künstliche Genom: Darf der Mensch überhaupt Leben erschaffen? Und kann auf die Herstellung von Zellen ein Patentrecht vergeben werden?

Aufgrund der schnellen Entwicklung in den Biowissenschaften ist es sicher kein Fehler, diese Fragen möglichst schnell in die öffentliche Debatte zu tragen.

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ist Biochemie-Student an der Universität Tübingen und widmet sich entsprechenden Inhalten auf und für Kulturstruktur.
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