„Biobricks“ - Die Bausteine der synthetischen Biologie

Die synthetische Biologie ist ein noch recht neuer Wissenschaftszweig, der das Ziel verfolgt, biologische Vorgänge im Labor nachzubilden. Es handelt sich um eine interdisziplinäre Wissenschaft zwischen Biologie und Technologie, wobei vor allem Molekularbiologie, Nanotechnologie, organische Chemie aber auch Ingenieurwissenschaften sowie Informationstechnik eine große Rolle spielen. Nicht zu verwechseln ist die synthetische Biologie mit der Systembiologie. Letztere ist derjenige Zweig der Biowissenschaften, der zum Ziel hat, biologische Organismen in ihrer Gesamtheit zu erfassen und zu verstehen, um das Verhalten des ganzen Systems zu ermitteln und auch Vorhersagen über dessen dynamische Interaktionen zu ermöglichen.

Die künftigen praktischen Anwendungsgebiete der synthetischen Biologie sind beispielsweise gezielt im Labor hergestellte Designer-Mikroben, die in der Lage sind, giftige Abfälle unschädlich zu machen oder aber den für die Malariabekämpfung erforderlichen Wirkstoff Artemisinin in großen Mengen günstig zu produzieren. Weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie sie z. B. von dem US-Genomforscher Craig Venter verfolgt werden, sind Bakterien, die Kohlendioxid binden und Wasserstoff produzieren und somit zur Beseitigung des Treibhauseffektes eingesetzt werden könnten. Venter war es im Januar 2008 als Erstem gelungen, das gesamte Erbmaterial eines Bakteriums komplett synthetisch herzustellen. Vorbild für den Nachbau war Mycoplasma genitalium, ein parasitär lebendes Bakterium, das zur Harnröhren-Entzündung führen kann.

Ohne Gentechnik keine synthetische Biologie. Dies erschließt sich schon aus dem Kommentar von Waclaw Szybalski, der 1978 zum Medizinnobelpreis für die Arbeiten von Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Smith über Restriktionsenzyme auf deren Bedeutung für die neue Ära der synthetischen Biologie hinwies, da mit Hilfe dieser Enzyme neue Gene konstruiert werden können.

Letztendlich ist der Übergang zwischen der Gentechnik und der synthetischen Biologie allerdings fließend. Bei der Gentechnik werden natürlich vorkommende oder mutierte Nukleinsäuren einer Spezies in eine andere Spezies eingebracht, wobei die jeweiligen Nukleinsäuresequenzen aber bereits in der Natur existieren. Die synthetische Biologie strebt im Unterschied dazu an, künstliche chemische Systeme in Lebewesen zu integrieren. Die Basis hierfür ist die Verfügbarkeit hinreichend charakterisierter genetischer Elemente, die standardisiert zur Verfügung stehen. Ein Weg dahin bietet das „Registry of standard biological parts“ am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, welches einen Katalog über die Charakteristika einzelner biologischer Elemente bzw. Bausteine, sogenannter „Biobricks“ beinhaltet. Diese „Biobricks“ dienen quasi als Bausteine der synthetischen Biologie, mit denen gezielt Organismen mit bestimmten, gewünschten Eigenschaften hergestellt werden können.

Bis zum routinemäßigen Design neuer Zellen werden aber noch intensive Forschungsaktivitäten erforderlich sein. Derzeit werden beispielsweise sogenannte genetische „Blinker“ erzeugt – also Schaltkreise, die Bakterien aufleuchten oder sogar periodisch blinken lassen. Mit diesen Versuchen schaffen die Wissenschaftler eine Basis für ein immer umfassenderes Verständnis darüber, wie Bakterien entsprechend bestimmter Vorgaben funktionieren. Langfristiges Ziel ist es, eine Bibliothek von Bausteinen zu generieren, aus der man die gewünschten Bausteine bestellen und für seine jeweiligen Zwecke nutzen kann.

Wie jede neue Technologie birgt auch die synthetische Biologie neben großen Chancen mögliche Risiken und eröffnet auch neue Fragen bezüglich Ethik sowie geistigen Eigentums, denen sich Wissenschaft, Industrie und Öffentlichkeit in einem offenen konstruktiven Dialog bereits heute widmen. Darüberhinaus sind viele grundlegende, wissenschaftliche Fragen noch zu beantworten. Wird es beispielsweise überhaupt irgendwann möglich sein, ein künstliches Lebewesen zu erzeugen, indem ein künstlich hergestelltes Erbgut in eine entkernte Bakterienzelle übertragen wird? Die derzeitige Theorie ist, dass das künstliche Genom die Kontrolle über die entkernte Zelle übernimmt und auf diese Weise ein neuer Organismus entsteht. Der Beweis dafür steht derzeit allerdings noch aus.

Davon unbenommen bietet die synthetische Biologie aber bereits heute neue Ansätze, um zu einem noch umfassenderen Wissen biologischer Prozesse und Zusammenhänge zu gelangen und damit die Basis für vielversprechende, neue Anwendungsgebiete zu schaffen.

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