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 beschrieben.<ref name="synth-bio">Synthetic Biology: Applying Engineering to Biology Report of a NEST High-Level Expert Group. Published by the European Commission 2005.</ref><ref>L. Serrano: Synthetic biology: promises and challenges. In: Molecular Systems Biology. 3, 2007, S. 158 (synbiosafe.eu PDF; 113 kB).</ref>

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 erschaffen.<ref name="synth-bio" /><ref>shop.heise.de (Memento vom 17. November 2016 im Internet Archive) Technology Review. [deutsche Ausgabe] Juli 2006.</ref><ref name="Endy2005" /> 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 (Minimalgenom), die als eine Art „Gerüst“ dienen, 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.<ref>Nozomu Yachie et al.: Alignment-Based Approach for Durable Data Storage into Living Organisms. In: Biotechnology Progress. Band 23, Nr. 2, 2007, S. 501–505, doi:10.1021/bp060261y, yachie-lab.org (PDF, Volltext).</ref>

Geschichte der synthetischen Biologie

Bereits 1912 veröffentlichte der Franzose Stéphane Leduc (1853–1939) 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.<ref>Emil Fischer: Die Kaiser-Wilhelm-Institute und der Zusammenhang von organischer Chemie und Biologie. (1915). In: M. Bergmann (Hrsg.): Gesammelte Werke: Untersuchungen aus verschiedenen Gebieten: Vorträge und Abhandlungen allgemeinen Inhalts. J. Springer, Berlin 1924, S. 796–809.</ref>

1978 schrieb Waclaw Szybalski in seinem Kommentar zum Nobelpreis in Medizin für die Arbeiten von Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Smith<ref>Nobelpreis für Medizin 1978. Auf: nobelprize.org</ref> über Restriktionsenzyme: “”<ref></ref>

1980 verwendete die Biologin und Wissenschaftsjournalistin Barbara Hobom den Begriff bei der Beschreibung rekombinanter Bakterien als Synonym für die Anwendung gentechnologischer Methoden.<ref name="Hobom1980" />

2000 bezeichnete Eric Kool auf dem Jahrestreffen der American Chemical Society in San Francisco die Integration künstlicher chemischer Systeme in Lebewesen als synthetische Biologie.<ref name="Rawls2000" /> und etablierte damit das heutige Verständnis dieses Begriffs.

2004 fand die erste internationale wissenschaftliche Konferenz zur synthetischen Biologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Massachusetts/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.<ref>The Fifth International Meeting on Synthetic Biology. (Memento vom 1. Februar 2011 im Internet Archive)</ref>

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.<ref>Peter Aldhous: Angry reception greets patent for synthetic life. In: New Scientist vom 16. Juni 2007, S. 13.</ref>

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.<ref>Venter präsentiert künstliches Bakterien-Genom. In: Netzeitung. 24. Januar 2008, archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 6. Januar 2010; abgerufen am 8. November 2019. </ref>

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 codiert, so dass die Bakterienzellen sich normal vermehrten.<ref name="Gibson2010" />

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 – bei der DNA – Desoxyribose-Zucker) besteht, wurden diese durch fettanziehende (lipophile) Bausteine ersetzt, 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 vielen fehlerhaften Basenpaarungen bei der Verdopplung (Replikation) der DNA. 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 stabiler als ihre natürlichen Vorbilder. In natürlichen Systemen ist dies unter Umständen nicht sinnvoll, da eine zu hohe Stabilität der Basenpaarungen die Variationsmöglichkeiten und damit die Anpassungsfähigkeit durch Evolution einschränken.

Inzwischen ist gesichert, dass das Phosphat-Ribose-Gerüst eine wichtige Rolle für das Erkennungssystem der Polymerasen spielt.

Erweiterung des genetischen Codes

Zusätzliche Nukleinbasen

Datei:Base pair AT.svg

Wasserstoffbrückenbindungen eines Adenin-Thymin-Basenpaars

Datei:Base pair GC.svg

Wasserstoffbrückenbindungen eines Guanin-Cytosin-Basenpaars

Der genetische Code beruht auf Triplett-Codons von vier verschiedenen Basen, von denen jeweils zwei zueinander komplementär sind und ein Basenpaar bilden können. 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 Akzeptor (A).

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

py	pu	py	pu
AAD	DDA	DDA	AAD
ADA (wie bei Thymin)	DAD (wie bei Adenin)	DAD	ADA
ADD	DAA	DAA (wie bei Cytosin, hier allerdings DA-)	ADD (wie bei Guanin)

Damit ist es möglich, den genetischen Code um vier neue Basenpaare zu erweitern, was zu 448 neuen Codons führt. 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.

Quadruplett- und Pentaplett-Codons

Eine andere Möglichkeit ist bzw. wäre durch eine Verwendung von Basen-Quadrupletts<ref name="Costello2024" /><ref name="Anderson2004" /> oder gar Pentapletts als Codons gegeben.<ref name="Hohsaka2002" />

Konstruktion von RNA

Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung von modifizierter mRNS als Impfstoff gegen den Erreger von COVID-19, SARS-CoV-2,<ref>Elie Dolgin: Der verschlungene Weg zum RNA-Impfstoff, Spektrum 3/2022 S. 28–37, Epub 16. Februar 2022.</ref><ref>Christina Hohmann-Jeddi: Hoffnungsträger BNT162b2: Wie funktionieren mRNA-Impfstoffe? In: Pharmazeutische Zeitung. 10. November 2020, abgerufen am 28. November 2020. </ref> wie sie von der Firmen-Kooperation Biontech/Pfizer/Fosun (Tozinameran, Handelsname Comirnaty)<ref>Paul-Ehrlich-Institut gibt Corona-Impfstoff frei. n-tv Nachrichten, abgerufen am 25. Dezember 2020. </ref><ref></ref> und Moderna (mRNA-1273),<ref>COVID-19 Vaccine Moderna. (PDF) EMA – European Medicines Agency, archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 14. Januar 2021; abgerufen am 9. Januar 2021 (). </ref><ref>Moderna's Pipeline. In: modernatx.com. Moderna, abgerufen am 28. November 2020 (). </ref> sowie von anderen Unternehmen<ref></ref> entwickelt wurden. Der Impfstoff Zorecimeran des Herstellers Curevac verwendet dagegen unmodifizierte RNA.

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.<ref>Kevin Michael Ulmer: Protein engineering. In: Science. Band 219, Nr. 4585, 1983, S. 666–671, doi:10.1126/science.6572017.</ref> Da die Wechselwirkungen vor allem zwischen weiter entfernten Aminosäureresten zurzeit 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 seit 1973 verfügbaren, von Herbert W. Boyer und Stanley N. Cohen entwickelten Rekombinationstechnik<ref>Hans-Peter Kröner: Humangenetik. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 635–641, hier: S. 640 (Humangenetik in der molekularbiologischen Epoche).</ref> 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.

Datei:Amorpha-4,11-diene.svg

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 Protein (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.<ref>Perry L. Howard, Marie C. Chia, Suzanne Del Rizzo, Fei-Fei Liu und Tony Pawson: Redirecting tyrosine kinase signaling to an apoptotic caspase pathway through chieric adaptor proteins. In: PNAS. Band 100, Nr. 20, 2003, S. 11267–11272, doi:10.1073/pnas.1934711100.</ref>

Der Zugang von Tom Knight, Andrew (Drew) David 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.<ref name="Halber2005" />

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:<ref name="Endy2005" />

Datei:Repressilator.png

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 Flipflop-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.

Konstruktion von Zellen

Forscher arbeiten daran, künstliche Chloroplasten, Komponenten von Pflanzenzellen, die Photosynthese betreiben, zu entwickeln. Ein Team kombinierte dazu ein Photosynthesesystem aus Spinat-Chloroplasten mit einem Bakterienenzym und einem künstlichen Enzym-Netzwerk. Das System ist energieeffizienter als natürliche Chloroplasten und könnte diverse Anwendungsmöglichkeiten haben.<ref>Researchers develop an artificial chloroplast. Pressemeldung der Max-Planck-Gesellschaft. In: phys.org. 13. Juli 2021, abgerufen am 13. Juli 2021 (). </ref><ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref> Auch an der Entwicklung synthetischer roter Blutzellen wird geforscht. Diese ermöglichen etwa das Aufladen funktioneller Frachten wie Hämoglobin, Nanopartikel, Biosensoren und Medikamente.<ref name="phys-blood">Vorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/URL In: phys.org (english).Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref><ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref>

Genom-Komplettsynthese

Die ersten Genomsynthesen basierten auf der Fusions-PCR, einer Methode zur Erzeugung von Genen aus Oligonukleotiden.<ref>W. P. Stemmer, A. Crameri, K. D. Ha, T. M. Brennan, H. L. Heyneker: Single-step assembly of a gene and entire plasmid from large numbers of oligodeoxyribonucleotides. In: Gene. Band 164, Nr. 1, 1995, S. 49–53. PMID 7590320.</ref>

• 2002 setzten Jeronimo Cello, Aniko V. Paul und Eckard Wimmer infektiöse Polioviren in vitro zusammen.<ref>Jeronimo Cello, Aniko V. Paul, Eckard Wimmer: Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template. In: Science. Band 297, 2002, S. 1016–1018, doi:10.1126/science.1072266</ref>
• 2003 gelang Hamilton O. Smith und Craig Venter die Komplettsynthese des Bakteriophagen PhiX174 mit 5386 Basenpaaren.<ref>H. O. Smith, C. A. 3rd Hutchison, C. Pfannkoch, J. C. Venter: Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. In: PNAS. Band 100, Nr. 26, 2003, S. 15440–5, doi:10.1073/pnas.2237126100. PMID 14657399; PMC 307586 (freier Volltext).</ref>
• 2005: Teilsynthese des Influenza-Virus durch die Arbeitsgruppe von Jeffery Taubenberger, welches um 1918 für die als Spanische Grippe bekannte Pandemie verantwortlich war.<ref>Jeffery K. Taubenberger et al.: Characterization of the 1918 influenza virus polymerase genes. In: Nature. Band 437, 2005, S. 889–893, doi:10.1038/nature04230</ref><ref>T. M. Tumpey, C. F. Basler, P. V. Aguilar, Zeng, H., Solórzano, A., Swayne, D.E., Cox, N.J., Katz, J.M., Taubenberger, J.K., Palese, P., and García-Sastre, A. (2005): Characterization of the reconstructed 1918 Spanish influenza pandemic virus. In: Science. Band 310, Nr. 5745, 2005, S. 77–80, doi:10.1126/science.1119392</ref>
• Ende 2006 war es möglich, synthetische DNA bis zu etwa 35.000 Basenpaaren zu produzieren.<ref>Matthew Herper: The Biggest DNA Ever Made. In: forbes.com. 13. Juli 2006, abgerufen am 12. Dezember 2019 (). </ref> Obwohl die Größe lebensfähiger Minimalorganismen damals auf nur ca. 110.000 Basenpaare geschätzt wurde,<ref>Philip Ball: Smallest genome clocks in at 182 genes. In: news@nature. 2006, doi:10.1038/news061009-10.</ref> gelang es zunächst nicht, ein komplettes Prokaryoten-Genom (Bakterien-Genom) zu synthetisieren.
• 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.<ref name="Gibson2010" /> Der Publikation in Science zufolge erwiesen sich die mit dem synthetischen Genom ausgestatteten Zellen als selbstreplizierend und zu exponentiellem Wachstum fähig.
• Im März 2016 stellte das Team am J. Craig Venter Institute im kalifornischen La Jolla die lebensfähige Version Syn 3.0 vor, die wiederum auf dem Bakterium Mycoplasma mycoides beruht. Die Bioingenieure verkürzten das ursprüngliche DNA-Molekül mit 1079 Kilobasen-Paaren (kbp) auf 531 kbp, damit verringerten sie das Gen-Repertoire um 57, nämlich auf 473 Gene.<ref>Clyde A Hutchison III, Ray-Yuan Chuang, Vladimir N Noskov et al.: Design and synthesis of a minimal bacterial genome. In: Science. Band 351, 2016, doi:10.1126/science.aad6253 Freier Artikel.</ref> Überraschenderweise blieb die zelluläre Funktion von 149 Genen des Minimalgenoms unklar. Bleibt also weiter zu fragen, was das Leben molekular ausmacht. Von diesem grundsätzlichen Problem unabhängig, wird sich ein solcher programmierbarer Minimalorganismus zur industriellen Herstellung von Biomolekülen einsetzen lassen.
• Im Mai 2019 berichteten Forscher über die Schaffung einer neuen synthetischen Variante Syn61 des Bakteriums Escherichia coli. Dieses unterscheidet sich von allen natürlichen Stämmen durch die Reduzierung der Anzahl von 64 Codons im Genom auf 61. Entfernt wurden bei der Unkodierung des 4 Megabasen großen Genoms zwei der sechs Codons für Serin und eines der drei Stopcodons. Zusätzlich zum Wegfall der Verwendung seltener Codons muss dabei die Spezifität des Systems erhöht werden, da viele tRNAs mehrere Codons erkennen.<ref name="NAT-20190515">Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref><ref name="NYT-20190515">Vorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/Name: Vorlage:Cite book/URL In: The New York Times, 15. Mai 2019 (english).Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2
• Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life?, Richard Dawkins Foundation for Reason and Science, 22. Mai 2019.
• Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life?, auf: Big World Tale, 15. Mai 2019.</ref><ref name="Krishnakumar2014" /> Derartige synthetische Bakterien sind potentiell immun gegen jegliche Bakteriophagen.<ref>Labor – Künstliche Zellen sind immun gegen Viren, auf: orf.at vom 4. Juni 2021.</ref>
• Das (Sc2.0) hat das Ziel, schrittweise eine Version der Backhefe (Bierhefe, Saccharomyces cerevisiae mit komplett künstlichem Genom herzustellen. Dieser Mikropliz wäre dann der erste Eukaryot, bei dem dies gelang. Im Herbst 2023 waren bereits über 50 % des Genoms ersetzt. Dabei wurden auch die Gene sämtlicher tRNAs in einem zusätzlichen künstlichen Chromosom zusammengefasst.<ref name="Bourzac2023" /><ref name="Schindler2023" /><ref name="Zhao2023" />

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.<ref name="Endy2005" />

Durch Austausch der Gene für Rezeptor-bindende Proteine (RPB) von Bakteriophagen können diese Mutanten andere Bakterienwirte infizieren als die Wildtypen.<ref name="Dunne2021" />

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 Proteinen, 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.<ref>Bhutkar, A. 2005. . J. BIOLAW & BUS., Band 8, Nr. 2, S. 19–29.</ref><ref>Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern. In: unenvironment.org. 4. März 2019, abgerufen am 3. Januar 2021 (). </ref> 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,<ref>P. A. Sharp: . In: Science. Band 310, Nr. 5745, 2005, S. 17, doi:10.1126/science.310.5745.17.</ref> ob und wie die Synthese pathogener Genome eingeschränkt werden kann, um einen Missbrauch zu verhindern. Warnungen einiger Wissenschaftler, NGOs und Journalisten<ref>z. B. in (Memento vom 14. Juni 2006 im Internet Archive)</ref> vor Bioterrorismus sorgten für eine erste Sensibilisierung einer breiteren Öffentlichkeit.<ref></ref> Eine von Gensynthese- und Bioinformatik-Firmen gegründete internationale Vereinigung, die , 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.<ref>Report der IASB (PDF; 381 kB), München, April 2008.</ref>

In Europa wird sich eine künftige Diskussion vermutlich weniger um Bioterroristen drehen<ref>Synthetic Biology & Biosecurity Awareness In Europe (PDF; 408 kB).</ref> als um Fragen zu den unbeabsichtigten Auswirkungen auf die Gesundheit und Umwelt sowie um Fragen der Ethik und des geistigen Eigentums.<ref>Markus Schmidt: In: Nature. Band 441, Nr. 7097, 2006, S. 1048, doi:10.1038/4411048d.</ref> Vergangene und aktuelle öffentliche Debatten wie etwa zu gentechnisch verändertem Saatgut oder über Stammzellen zeigen, dass neue Technologien auch Konfliktpotenzial beinhalten können.

Vernetzung der synthetischen Biologie in Deutschland

Die German Association for Synthetic Biology e. V. (GASB), der größte einschlägige Fachverband in Deutschland, widmet sich der Vernetzung von Wissenschaftlern und der allgemeinen Information über das Fachgebiet.<ref>A platform for Synthetic Biology in Germany. Abgerufen am 8. Dezember 2019 (). </ref><ref></ref> Neben wissenschaftlichen Konferenzen organisiert der Verband auch Veranstaltungen für die breite Öffentlichkeit.

Forschungsaktivitäten in Deutschland werden auch in der Studiengruppe 'Synthetische Biologie'<ref>Homepage der Studiengruppe Synthetische Biologie der GBM Auf: gbm-online.de.</ref> der Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (GBM) vorangetrieben, die den Austausch von Experten und Nachwuchswissenschaftlern ermöglicht.<ref></ref>

Siehe auch

• Xenobiologie

Literatur

• Y. Ding, F. Wu, C. Tan: Synthetic Biology: A Bridge between Artificial and Natural Cells. In: Life. Band 4, Nr. 4, 2014, S. 1092–1116, doi:10.3390/life4041092, PMID 25532531, PMC 4284483 (freier Volltext) (Review).
• S. A. Benner, M. A. Sismour: Synthetic Biology. In: Nature Reviews Genetics. Band 6, 2005, S. 533–543 (siehe PDF)
• W. W. Gibbs: Künstliche Biomaschinen. In Spektrum der Wissenschaft Oktober 2004, S. 68 ff; ISSN 0170-2971
• K. Köchy, A. Hümpel (Hrsg.): Synthetische Biologie. Entwicklung einer neuen Ingenieurbiologie? Dornburg, 2012. ISBN 978-3-940647-07-8.
• M. Petter, in Laborjournal, Ausgabe 03, 2004 (siehe Stichwort – Synthetische Biologie)
• J. Schummer: Das Gotteshandwerk: Die künstliche Herstellung von Leben im Labor. Berlin: Suhrkamp (edition unseld), 2011, ISBN 978-3-518-26039-5.
• A. Pühler, B. Müller-Röber, M.-D. Weitze: Synthetische Biologie : die Geburt einer neuen Technikwissenschaft (Hrsg. im Auftrag der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech)), Berlin ; Heidelberg : Springer 2011, ISBN 978-3-642-22353-2 Seite der Acatech über den Band, mit Download-Möglichkeit
• D. Lanzerath, B. Giese, L. Jaeckel: Synthetische Biologie. Naturwissenschaftliche, rechtliche und ethische Aspekte, Freiburg, München: Verlag Karl Alber 2020, ISBN 978-3-495-49053-2.
• Hannah Depmeier and Stephanie Kath-Schorr: Expanding the Horizon of the Xeno Nucleic Acid Space: Threose Nucleic Acids with Increased Information Storage. In: ACS Publications: J. Am. Chem. Soc., 5. März 2024; doi:10.1021/jacs.3c14626 (englisch). Dazu:
  • Forscherinnen entwickeln künstliche Bausteine des Lebens. Auf: EurekAlert! vom 8. März 2024. Quelle: Universität Köln.
  • Unlocking TNA: Researchers Develop Artificial Building Blocks of Life. Auf: SciTechDaily vom 25. März 2024. Quelle: Universität Köln.
• Laura Heinen, Marco van den Noort, Martin S. King, Edmund R. S. Kunji, Bert Poolman: Synthetic syntrophy for adenine nucleotide cross-feeding between metabolically active nanoreactors. In: Nature Nanotechnology, 21. Oktober 2024; doi:10.1038/s41565-024-01811-1 (englisch). Dazu:
  • Creating a simplified form of life – Scientists build modules for synthetic cellU. Auf: EurekAlert! vom 21. Oktober 2024. Quelle: Universität Groningen.
  • René Fransen: Can Life Be Engineered? Biochemists Take Key Steps Toward Synthetic Lifeforms. In: SciTechDaily vom 6. November 2024.
• Katarzyna P. Adamala, Deepa Agashe, Yasmine Belkaid, Daniela Matias de C. Bittencourt, Yizhi Cai, Matthew W. Chang, Irene A. Chen, George M. Church, Vaughn S. Cooper, Mark M. Davis, Neal K. Devaraj, Drew Endy, Kevin M. Esvelt, John I. Glass, Timothy W. Hand, Thomas V. Inglesby, Farren J. Isaacs, Wilmot G. James, Jonathan D. G. Jones, Michael S. Kay, Richard E. Lenski, Chenli Liu, Ruslan Medzhitov, Matthew L. Nicotra, Sebastian B. Oehm, Jaspreet Pannu, David A. Relman, Petra Schwille, James A. Smith, Hiroaki Suga, Jack W. Szostak, Nicholas J. Talbot, James M. Tiedje, J. Craig Venter, Gregory Winter, Weiwen Zhang, Xinguang Zhu, and Maria T. Zuber (Policy Forum): Confronting risks of mirror life. In: Science, 12. Dezember 2024; doi:10.1126/science.ads9158 "Broad discussion is needed to chart a path forward" („Es bedarf einer breiten Diskussion, um einen Weg in die Zukunft zu finden“) – Über die Risiken künstlich erschaffener Mikroorganismen aus Biomolekülen gespiegelter Chiralität (spanisch). Dazu:
  • Katarzyna Adamala et al.: Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. In: Stanford Digital Repository: Technical report, 3. Dezember 2024 (Stand: 13. Dezember 2024); doi:10.25740/cv716pj4036 (englisch).
  • Jess Cockerill: Scientists Urge Ban on 'Mirror Life' Before It Endangers Global Health. Auf: science^alert vom 14. Dezember 2024.

Presseartikel

• Projekt Genesis. In: Die Zeit vom 16. Februar 2006.
• Terrorgefahr DNS-Synthese? In: MIT Technology Review vom 14. Juli 2006.
• Organismen vom Reissbrett. In: Neue Zürcher Zeitung vom 23. August 2006.
• Synthetische Biologie: Baukasten für Biomaschinen. In: Spektrum der Wissenschaft vom 26. Januar 2007.
• „Bio-Ingenieure“ auf dem Vormarsch. In: APA-Zukunftswissen vom 31. Mai 2007 (PDF, 534 kB).
• Konkurrenz für Gott. In: Der Spiegel vom 4. Januar 2010.
• Künstliche Aminosäuren in Genom eingeschleust, auf: scinexx vom 10. Dezember 2004.

Weblinks

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Commons: Synthetische Biologie – Sammlung von Bildern und Videos

• Synthetic genomics: options for governance (pdf; 1,68 MB)
• BioBricks-Datenbank
• Übersicht über SynBio-Labore in Deutschland
• Registry of Standard Biological Parts
• Seite der Max-Planck-Gesellschaft über Synthetische Biologie
• German Association for Synthetic Biology e. V.
• Expert Interviews Video-Interviews mit Experten und NGOs (englisch).
• Michael Le Page: Tiny axles and rotors made of protein could drive molecular machines – Researchers have designed proteins that self-assemble into tiny machine parts for use in molecular engines. Auf: New Scientist vom 21. April 2022 (englisch).

Einzelnachweise

<references responsive> <ref name="Anderson2004"> </ref> <ref name="Bourzac2023"> Katherine Bourzac: Engineered yeast breaks new record: a genome with over 50% synthetic DNA. Highly edited strain survives and replicates despite containing 7.5 artificial chromosomes. In: Nature, Band 623, News Nr. 469, 8. November 2023; doi:10.1038/d41586-023-03495-4 (englisch). Dazu:

• Geoffrey J. Taghon, Elizabeth A. Strychalski: Rise of synthetic yeast: Charting courses to new applications. In: Cell Genomics, Bend 3, Nr. 11, 8. November 2023; S. 100438; doi:10.1016/j.xgen.2023.100438 (englisch).
• Erster Eukaryot mit halbsynthetischem Genom. Forschungsteam erzeugt Hefezellen mit siebeneinhalb künstlich im Labor hergestellten Chromosomen. Auf: scinexx.de vom 9. November 2023.

</ref> <ref name="Costello2024"> Alan Costello, Alexander A. Peterson, David L. Lanster, Zhiyi Li, Gavriela D. Carver, Ahmed H. Badran: Efficient genetic code expansion without host genome modifications. In: Nature Biotechnology, 11. September 2024; doi:10.1038/s41587-024-02385-y (englisch). Dazu:

• Scripps Research scientists expand the genetic alphabet to create new proteins. Auf: EurekAlert! vom 11. September 2024.
• Elena Bernard: Erweiterter Gen-Code für künstliche Aminosäuren: Codons aus vier DNA-Basen ermöglichen Zellen den Einbau synthetischer Aminosäuren in Proteine. Auf: scinexx.de vom 24. September 2024.

</ref> <ref name="Dunne2021"> Matthew Dunne, Nikolai S. Prokhorov, Martin J. Loessner, Petr G. Leiman: Reprogramming bacteriophage host range: design principles and strategies for engineering receptor binding proteins. In: Current Opinion in Biotechnology, Band 68, April 2021, S. 272–281; doi:10.1016/j.copbio.2021.02.006. (englisch). </ref> <ref name="Endy2005"> Drew Endy: Foundations for engineering biology. In: Nature. Band 438, Nr. 7067, 24. November 2005, S. 449–453, doi:10.1038/nature04342 (englisch). </ref> <ref name="Gibson2010"> Daniel G. Gibson et al.: Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. In: Science, Band 329, Nr. 5987, 2010, S. 52–56, doi:10.1126/science.1190719 (englisch). </ref> <ref name="Halber2005"> Deborah Halber: Teams lay BioBrick foundation for genetic engineering. Auf: MIT News, 8. November 2005 (englisch). </ref> <ref name="Hobom1980"> Barbara Hobom: Surgery of genes. At the doorstep of synthetic biology. In: Medizinische Klinik. Band 75, 1980, S. 14–21 (englisch). </ref> <ref name="Hohsaka2002"> </ref> <ref name="Krishnakumar2014">Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2 </ref> <ref name="Rawls2000"> Rebecca L. Rawls: ‘Synthetic Biology’ makes its de​but. In Chemical & Engineering News. Band 78, Nr. 17, 2000, S. 49–53; doi:10.1021/cen-v078n017.p049 (englisch). </ref> <ref name="Schindler2023"> Daniel Schindler, Roy S. K. Walker, Shuangying Jiang; Lars M. Steinmetz, Jef D. Boeke, Yizhi Cai et al.: Design, construction, and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast. In: Cell, 8. November 2023; doi:10.1016/j.cell.2023.10.015, ResearchGate, ScienceDirect (englisch). Dazu:

• Ordnung für die Bierhefe: Ein künstliches Chromosom vereint alle t-RNA-Gene für die Produktion von Proteinen. Presseveröffentlichung der Max-Planck-Gesellschaft vom 10. November 2023.
• Kay Sanders: Eine neue Ordnung für die Bierhefe: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie. Auf: scinexx.de vom 14. November 2023.

Ordnung ist hier nicht im taxonomischen Sinn als Ordnung (Biologie) zu verstehen, sondern bezieht sich eher auf das Zusammenfassen der tRNAs in einem synthetischen Chromosom. </ref> <ref name="Zhao2023"> Yu Zhao, Camila Coelho, Amanda L. Hughes; Lars M. Steinmetz, Yizhi Cai, Jef D. Boeke et al.: Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions. In: Cell, 8. November 2023; doi:10.1016/j.cell.2023.09.025 (englisch). </ref> </references>