Synthetische Biologie Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht
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Synthetische Biologie Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Die Synthetische Biologie ist eine relativ junge Disziplin, die versucht, gezielt Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu konstruieren. Noch steht sie am Anfang, doch die ersten Erfolge geben einen Eindruck des Potenzials, das in ihr steckt. Aber auch der Herausforderungen, die es zu meistern gilt. Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften Académie suisse des sciences techniques Accademia svizzera delle scienze tecniche Swiss Academy of Engineering Sciences
Rubriktitel
Inhaltsverzeichnis Vorwort
4 Was ist und wie entsteht Leben? Was ist das Neue an der Synthetischen Biologie? Wie wird sie zu einer Ingenieur-
wissenschaft? Welche Risiken könnten solche Forschungsaktivitäten und Anwendungen
6 Historischer Rückblick bergen? Diesen und weiteren Fragen geht die SATW-Broschüre «Synthetische Biologie»
mit sechs Kurzbeiträgen nach.
8 Die Minimale Zelle
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es keinen Konsens darüber, was Leben
10 Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht wirklich ist. Am ehesten wird man sich wohl auf die wichtigsten Kriterien einigen
können, die Leben auszeichnen. Eingeleitet wird diese Broschüre – im Sinne eines
12 Mit DNA Daten verarbeiten Kontrapunktes zu naturwissenschaftlichen Sichtweisen – mit einer philosophischen
Betrachtung, welche die vollständige Beschreibbarkeit und damit auch die Konstruk-
14 Risiken der Synthetischen Biologie tion des Lebendigen in Frage stellt. In den weiteren Beiträgen werden wichtige
Begriffe der Synthetischen Biologie besprochen und Konzepte vorgestellt, mit denen
die Komplexität biologischer Systeme reduziert werden können. Dies ist eine
entscheidende Voraussetzung für deren industrielle Nutzung.
Die Synthetische Biologie versucht, gezielt Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu
konstruieren, und ist so im Begriff, sich als neue Ingenieurwissenschaft zu etablieren.
Noch steht die junge Disziplin allerdings am Anfang und das Realisierte scheint eher
eine Erweiterung der bisherigen gentechnologischen Arbeiten zu sein. Es gelang
bereits, ein ganzes Genom eines Bakteriums Schritt für Schritt zu synthetisieren und
in eine fremde Bakterienhülle einzuführen. Das «neue» Bakterium wies die Eigenschaften
der neu eingeführten Gene auf. Viel Arbeit stecken Forschende in die Entwicklung von
Minimalzellen. Diese enthalten nur noch die essenziellen Gene, die zum Zellwachstum
nötig sind, und sollen als Chassis dienen, um weitere und neu entwickelte Gene und
Funktionen einzubauen.
Wissenschaft und Technik zum Wohle der Gesellschaft Die SATW will mit dieser Broschüre einen Beitrag dazu leisten, Chancen und Risiken
dieser neuen Wissenschaftsrichtung aufzuzeigen, die zwar in Forscherkreisen intensiv
Die Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) vereinigt Personen, diskutiert wird, aber in der Gesellschaft noch kaum bekannt ist. Die SATW erachtet es
Institutionen und Fachgesellschaften, die in den technischen Wissenschaften und deren auch als wichtig, die Diskussion zu einer Zeit anzustossen, in welcher die Synthetische
Anwendung tätig sind. Sie fördert die Technik zum Wohle der Gesellschaft und stärkt das Biologie noch klar auf der Stufe der Grundlagenforschung angesiedelt ist.
Verständnis der Gesellschaft für die Technik. Die SATW ist politisch neutral und nicht kommer-
ziell orientiert. Zurzeit hat sie rund 240 Einzelmitglieder und 60 Mitgliedsgesellschaften. Prof. Dr. Ulrich W. Suter Prof. Dr. Andreas Zuberbühler Prof. Dr. Daniel Gygax
In verschiedenen Fachbereichen setzt die Akademie Arbeitsgruppen ein. Diese erarbei- Präsident SATW Präsident des Wissenschaftlichen Präsident der Kommission für
ten Studien sowie Empfehlungen und führen interaktive Veranstaltungen durch. Beirats der SATW angewandte Biowissenschaften
2 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 3
Rubriktitel
Inhaltsverzeichnis Vorwort
4 Was ist und wie entsteht Leben? Was ist das Neue an der Synthetischen Biologie? Wie wird sie zu einer Ingenieur-
wissenschaft? Welche Risiken könnten solche Forschungsaktivitäten und Anwendungen
6 Historischer Rückblick bergen? Diesen und weiteren Fragen geht die SATW-Broschüre «Synthetische Biologie»
mit sechs Kurzbeiträgen nach.
8 Die Minimale Zelle
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es keinen Konsens darüber, was Leben
10 Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht wirklich ist. Am ehesten wird man sich wohl auf die wichtigsten Kriterien einigen
können, die Leben auszeichnen. Eingeleitet wird diese Broschüre – im Sinne eines
12 Mit DNA Daten verarbeiten Kontrapunktes zu naturwissenschaftlichen Sichtweisen – mit einer philosophischen
Betrachtung, welche die vollständige Beschreibbarkeit und damit auch die Konstruk-
14 Risiken der Synthetischen Biologie tion des Lebendigen in Frage stellt. In den weiteren Beiträgen werden wichtige
Begriffe der Synthetischen Biologie besprochen und Konzepte vorgestellt, mit denen
die Komplexität biologischer Systeme reduziert werden können. Dies ist eine
entscheidende Voraussetzung für deren industrielle Nutzung.
Die Synthetische Biologie versucht, gezielt Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu
konstruieren, und ist so im Begriff, sich als neue Ingenieurwissenschaft zu etablieren.
Noch steht die junge Disziplin allerdings am Anfang und das Realisierte scheint eher
eine Erweiterung der bisherigen gentechnologischen Arbeiten zu sein. Es gelang
bereits, ein ganzes Genom eines Bakteriums Schritt für Schritt zu synthetisieren und
in eine fremde Bakterienhülle einzuführen. Das «neue» Bakterium wies die Eigenschaften
der neu eingeführten Gene auf. Viel Arbeit stecken Forschende in die Entwicklung von
Minimalzellen. Diese enthalten nur noch die essenziellen Gene, die zum Zellwachstum
nötig sind, und sollen als Chassis dienen, um weitere und neu entwickelte Gene und
Funktionen einzubauen.
Wissenschaft und Technik zum Wohle der Gesellschaft Die SATW will mit dieser Broschüre einen Beitrag dazu leisten, Chancen und Risiken
dieser neuen Wissenschaftsrichtung aufzuzeigen, die zwar in Forscherkreisen intensiv
Die Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) vereinigt Personen, diskutiert wird, aber in der Gesellschaft noch kaum bekannt ist. Die SATW erachtet es
Institutionen und Fachgesellschaften, die in den technischen Wissenschaften und deren auch als wichtig, die Diskussion zu einer Zeit anzustossen, in welcher die Synthetische
Anwendung tätig sind. Sie fördert die Technik zum Wohle der Gesellschaft und stärkt das Biologie noch klar auf der Stufe der Grundlagenforschung angesiedelt ist.
Verständnis der Gesellschaft für die Technik. Die SATW ist politisch neutral und nicht kommer-
ziell orientiert. Zurzeit hat sie rund 240 Einzelmitglieder und 60 Mitgliedsgesellschaften. Prof. Dr. Ulrich W. Suter Prof. Dr. Andreas Zuberbühler Prof. Dr. Daniel Gygax
In verschiedenen Fachbereichen setzt die Akademie Arbeitsgruppen ein. Diese erarbei- Präsident SATW Präsident des Wissenschaftlichen Präsident der Kommission für
ten Studien sowie Empfehlungen und führen interaktive Veranstaltungen durch. Beirats der SATW angewandte Biowissenschaften
2 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 3
Rubriktitel Rubriktitel
Was ist und wie entsteht Leben?
«Leben» beschreibt ein Phänomen, das sich einer fremdperspektivischen Definition sperrt, da es nur
aus sich heraus bestimmt werden kann. Leben ist nur deshalb Leben, weil es sich selbst realisiert
und nicht etwa fremd realisiert ist.
Die Frage, was Leben ist, hat die Menschen seit jeher Die Bedeutung der Lebens-Beschreibungen von Aris- Hand mit der Schaffung der sie gestaltenden Hände. ist, kann auch nicht mit von aussen angelegten
bewegt. Der griechische Philosoph Aristoteles gab toteles ist immens. Dies zeigt sich auch im Fortgang der Maturana und Varela machen das Verständnis der auto- Ursache-Wirkungszusammenhängen das Lebendige voll-
bereits im 4. Jahrhundert vor Christus eine Antwort, die Debatte im 20. Jahrhundert, beispielsweise in der so poietischen Wirkung auch an der kleinsten autonomen ständig erklärt werden. Entsprechende Versuche müssen
bis heute Grundlage für Debatten rund um das Leben genannten Autopoiesis-Theorie, welche Humberto lebendigen Einheit plausibel, der Zelle. Demnach lässt deshalb als reduktionistisch gelten, weil sie die Kom-
bildet. Sie enthält drei wichtige Elemente: Maturana und Francisco Varela 1972 entwickelten. sich die Lebendigkeit eines lebenden Systems durch plexität des Lebendigen zu kennen behaupten, die
ein Miteinander und ein Zugleich von Schaffendem und letztlich nur aus der Innenperspektive des Lebendigen
• Das Lebendige besteht aus einem Körper und einer Leben stellt sich selbst her Geschaffenem erklären. Im Unterschied zum aristote- selbst deutlich wird. Diese Position kann ein Beo-
Seele. Die Verbindung beider Substanzen ist dem- Die beiden chilenischen Naturwissenschaftler mit starken lischen Konzept der Selbstbewegung liefert die bachter jedoch nur annäherungsweise einnehmen. Was
nach das, was Leben ausmacht. Es kann also weder Wurzeln in der Philosophie und in der Literatur stellten Autopoiesis-Theorie nun zusätzlich einen Ansatz, hier als Innenperspektive bezeichnet wird, lässt sich
ein körperloses noch ein seelenloses Lebendiges fest, dass wir Menschen, wenn wir Lebendiges beschrei- um Veränderung, Erhalt und Entstehung des Lebendigen auch mit dem Begriff des Selbst bezeichnen, also der
geben, erst das Zusammenspiel macht aus blosser ben, immer die Aussenperspektive einnehmen und damit verständlich zu machen. Annahme, dass Lebendiges ein Verhältnis mit sich selbst
Materie lebendige Materie. etwas objektivieren, was doch einen subjektiven Charak- hat. Ein solches lässt sich durchaus von aussen beein-
ter hat, und dabei den Selbstcharakter des Lebendigen Konstruktion von «Leben»? flussen, bleibt aber selbst dann ein internes, ohne das
• Das Lebendige ist in Bewegung. So unterscheidet es unterschlagen. Dass Lebendiges nicht nur Objekt, son- Wie ist vor diesem Hintergrund die Möglichkeit zu sich Lebendiges nicht begreifen lässt.
sich vom Nicht-Lebendigen. Auch nicht belebte dern auch und vor allem Subjekt – das heisst ein Selbst sehen, neue Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu
Materie kann in Bewegung geraten, wie beispiels- – ist, hatte bereits konstruieren, wie dies die Synthetische Biologie will?
weise die Kugel, welche die schiefe Ebene hinunter- Aristoteles in dem Die Frage, was Es wird nicht nur die Frage aufgeworfen, was Leben ist,
rollt. Nicht belebte Materie ist aber nie Ursache Begriff der Selbst- Leben ist, hat die sondern zugleich, wie Leben entsteht.
ihrer Bewegung, sondern wird immer von aussen Bewegung ausge-
Menschen seit
in Bewegung gesetzt. Nur das Lebendige kann sich drückt. Anfang des Naturwissenschaftlich kann man angeben, welche
selber bewegen. 20. Jahrhunderts jeher bewegt. Materiesubstanzen, beispielsweise Kohlenstoff, und
belegte der öster- welche Vorgänge, beispielsweise Stoffwechsel, für das
• Alle Materie hat immer eine bestimmte Gestalt, reichische Physiker und Wissenschaftstheoretiker Erwin Lebendige unverzichtbar sind und dann feststellen, dass
eine «Form». Auch hier zeigt sich die Sonderstel- Schrödinger mit Blick auf den Zweiten Hauptsatz der immer dann etwas lebt, wenn diese Bedingungen erfüllt
lung des Lebendigen, das die Form aus sich he- Thermodynamik, dass Lebendiges Eigenständigkeit zeigt. sind. Doch diese Erklärung greift zu kurz: Leben ist ein
raus bildet, während das Nicht-Lebendige von aus- Maturana und Varela gingen nun einen Schritt weiter und Zustand, der sich von dem des Nicht-Lebens qualitativ
sen in Form gebracht wird. Aristoteles nennt das beschrieben das Lebendige als dasjenige, das «sich selbst unterscheidet. Es gibt keinen kontinuierlichen und
Beispiel eines Tischlers, der aus der Materie Holz herstellt». Damit war die «Auto-Poiesis-Theorie» geboren. quantitativen Übergang vom Nicht-Leben zum Leben;
einen Stuhl fertigt und dabei die Materie nach sei- es geschieht ein Sprung. Der Grund dafür, dass es
nen Vorstellungen «formt». Eine autopoietische Organisation stellt ein Netzwerk bislang nicht gelungen ist, diesen Sprung zu erklären,
von Bestandteilen dar, das durch diese Bestandteile scheint nicht in naturwissenschaftlichem Unvermögen
selbst hergestellt wird. Solch ineinander greifende zu liegen, sondern in der Sache selbst: Gerade weil
Veränderung und Gestaltung geht gleichsam Hand in Lebendiges nicht vollständig als Objekt beschreibbar
4 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 5
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Was ist und wie entsteht Leben?
«Leben» beschreibt ein Phänomen, das sich einer fremdperspektivischen Definition sperrt, da es nur
aus sich heraus bestimmt werden kann. Leben ist nur deshalb Leben, weil es sich selbst realisiert
und nicht etwa fremd realisiert ist.
Die Frage, was Leben ist, hat die Menschen seit jeher Die Bedeutung der Lebens-Beschreibungen von Aris- Hand mit der Schaffung der sie gestaltenden Hände. ist, kann auch nicht mit von aussen angelegten
bewegt. Der griechische Philosoph Aristoteles gab toteles ist immens. Dies zeigt sich auch im Fortgang der Maturana und Varela machen das Verständnis der auto- Ursache-Wirkungszusammenhängen das Lebendige voll-
bereits im 4. Jahrhundert vor Christus eine Antwort, die Debatte im 20. Jahrhundert, beispielsweise in der so poietischen Wirkung auch an der kleinsten autonomen ständig erklärt werden. Entsprechende Versuche müssen
bis heute Grundlage für Debatten rund um das Leben genannten Autopoiesis-Theorie, welche Humberto lebendigen Einheit plausibel, der Zelle. Demnach lässt deshalb als reduktionistisch gelten, weil sie die Kom-
bildet. Sie enthält drei wichtige Elemente: Maturana und Francisco Varela 1972 entwickelten. sich die Lebendigkeit eines lebenden Systems durch plexität des Lebendigen zu kennen behaupten, die
ein Miteinander und ein Zugleich von Schaffendem und letztlich nur aus der Innenperspektive des Lebendigen
• Das Lebendige besteht aus einem Körper und einer Leben stellt sich selbst her Geschaffenem erklären. Im Unterschied zum aristote- selbst deutlich wird. Diese Position kann ein Beo-
Seele. Die Verbindung beider Substanzen ist dem- Die beiden chilenischen Naturwissenschaftler mit starken lischen Konzept der Selbstbewegung liefert die bachter jedoch nur annäherungsweise einnehmen. Was
nach das, was Leben ausmacht. Es kann also weder Wurzeln in der Philosophie und in der Literatur stellten Autopoiesis-Theorie nun zusätzlich einen Ansatz, hier als Innenperspektive bezeichnet wird, lässt sich
ein körperloses noch ein seelenloses Lebendiges fest, dass wir Menschen, wenn wir Lebendiges beschrei- um Veränderung, Erhalt und Entstehung des Lebendigen auch mit dem Begriff des Selbst bezeichnen, also der
geben, erst das Zusammenspiel macht aus blosser ben, immer die Aussenperspektive einnehmen und damit verständlich zu machen. Annahme, dass Lebendiges ein Verhältnis mit sich selbst
Materie lebendige Materie. etwas objektivieren, was doch einen subjektiven Charak- hat. Ein solches lässt sich durchaus von aussen beein-
ter hat, und dabei den Selbstcharakter des Lebendigen Konstruktion von «Leben»? flussen, bleibt aber selbst dann ein internes, ohne das
• Das Lebendige ist in Bewegung. So unterscheidet es unterschlagen. Dass Lebendiges nicht nur Objekt, son- Wie ist vor diesem Hintergrund die Möglichkeit zu sich Lebendiges nicht begreifen lässt.
sich vom Nicht-Lebendigen. Auch nicht belebte dern auch und vor allem Subjekt – das heisst ein Selbst sehen, neue Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu
Materie kann in Bewegung geraten, wie beispiels- – ist, hatte bereits konstruieren, wie dies die Synthetische Biologie will?
weise die Kugel, welche die schiefe Ebene hinunter- Aristoteles in dem Die Frage, was Es wird nicht nur die Frage aufgeworfen, was Leben ist,
rollt. Nicht belebte Materie ist aber nie Ursache Begriff der Selbst- Leben ist, hat die sondern zugleich, wie Leben entsteht.
ihrer Bewegung, sondern wird immer von aussen Bewegung ausge-
Menschen seit
in Bewegung gesetzt. Nur das Lebendige kann sich drückt. Anfang des Naturwissenschaftlich kann man angeben, welche
selber bewegen. 20. Jahrhunderts jeher bewegt. Materiesubstanzen, beispielsweise Kohlenstoff, und
belegte der öster- welche Vorgänge, beispielsweise Stoffwechsel, für das
• Alle Materie hat immer eine bestimmte Gestalt, reichische Physiker und Wissenschaftstheoretiker Erwin Lebendige unverzichtbar sind und dann feststellen, dass
eine «Form». Auch hier zeigt sich die Sonderstel- Schrödinger mit Blick auf den Zweiten Hauptsatz der immer dann etwas lebt, wenn diese Bedingungen erfüllt
lung des Lebendigen, das die Form aus sich he- Thermodynamik, dass Lebendiges Eigenständigkeit zeigt. sind. Doch diese Erklärung greift zu kurz: Leben ist ein
raus bildet, während das Nicht-Lebendige von aus- Maturana und Varela gingen nun einen Schritt weiter und Zustand, der sich von dem des Nicht-Lebens qualitativ
sen in Form gebracht wird. Aristoteles nennt das beschrieben das Lebendige als dasjenige, das «sich selbst unterscheidet. Es gibt keinen kontinuierlichen und
Beispiel eines Tischlers, der aus der Materie Holz herstellt». Damit war die «Auto-Poiesis-Theorie» geboren. quantitativen Übergang vom Nicht-Leben zum Leben;
einen Stuhl fertigt und dabei die Materie nach sei- es geschieht ein Sprung. Der Grund dafür, dass es
nen Vorstellungen «formt». Eine autopoietische Organisation stellt ein Netzwerk bislang nicht gelungen ist, diesen Sprung zu erklären,
von Bestandteilen dar, das durch diese Bestandteile scheint nicht in naturwissenschaftlichem Unvermögen
selbst hergestellt wird. Solch ineinander greifende zu liegen, sondern in der Sache selbst: Gerade weil
Veränderung und Gestaltung geht gleichsam Hand in Lebendiges nicht vollständig als Objekt beschreibbar
4 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 5
Rubriktitel Rubriktitel
Historischer Rückblick
Ihre Wurzeln hat die Synthetische Biologie in der Gentechnologie, die in den letzten 30 Jahren zu
einer Basistechnologie geworden ist. Doch erst der Paradigmenwechsel hin zur Systembiologie
eröffnet nun die Perspektive, neue biologische Systeme zu konstruieren, wie es die Synthetische
Biologie anstrebt.
Die Synthetische Biologie ist eine relativ junge For- Erfolge der Gentechnologie 2001 wurde in einer bisher beispiellosen langjährigen gewünschten Reihenfolge zu bilden (die so genannte
schungsdisziplin. Ihre Wurzeln liegen in der Gentech- Die Gentechnologie ist bis heute der wichtigste metho- und internationalen Kooperation Hunderter Forschenden Translation). Die Transkriptomik ermöglicht es, Tausen-
nologie. Einen Meilenstein bildete in den 1970er Jahren dische Zugang zur Synthetischen Biologie. Die klassische die Rohfassung des menschlichen Genoms veröffentlicht. de unterschiedlicher Boten-RNAs zu identifizieren und
die Entdeckung der so genannten Restriktionsen- Gentechnologie zielt auf relativ stark begrenzte einzel- Heute, also nur zehn Jahre später, wird die Sequen- zu quantifizieren. Dadurch wird erstmalig ein detail-
donukleasen durch Werner Arber am Biozentrum der ne Eingriffe ab und schafft gentechnisch veränderte zierung und Analyse von kompletten Genomen, die so lierter Einblick in den physiologischen Zustand einer
Universität Basel. Diese Enzyme, auch als molekulare Organismen. Gut 30 Jahre nach den ersten Durchbrüchen genannte Genomik, als Dienstleistung angeboten. Und Zelle möglich, das heisst, darüber, welche Gene wann
Scheren bekannt, schneiden DNA-Stränge an definierten ist sie zu einer wichtigen Basistechnologie geworden schon in wenigen Jahren wird es wohl Realität, dass wie aktiv sind.
Stellen auseinander. So konnten nun im Labor gezielt und findet Anwendung in alltäglichen Produkten. So wird das Genom eines Individuums für nur 1000 US-Dollar
DNA-Fragmente präpariert werden. 1973 gelang es den zum Beispiel ein Teil der Käseproduktion heute nicht sequenziert werden kann. Die Sequenz allein sagt aller- Ein besseres Verständnis der biologischen Systeme
Forschenden um Robert B. Helling von der University mehr mit Labferment aus Kälbern, sondern mit gentech- dings wenig aus; es wird weiterhin aufwendig und eröffnet nun die Perspektive, Zellen mit bestimmten
of California in San Francisco erstmalig, aus zwei DNA- nisch hergestellten Enzymen produziert. Oder Insulin wird schwierig bleiben, Rückschlüsse auf eine Vielzahl von Eigenschaften zu planen und letztlich auch zu kon-
Fragmenten einen neuen DNA-Ring, Plasmid genannt, zu bereits seit den 1980er Jahren nicht mehr aus Schlacht- Funktionen (und Fehlfunktionen) zu ziehen. struieren.
konstruieren und diesen in das Bakterium Escherichia tieren aufwendig gewonnen, sondern grosstechnisch in
coli einzubauen. Dieses bahnbrechende Experiment zeigte Bakterienzellen hergestellt. Dieses Insulin ist nicht nur Die Genomik ist nicht die einzige «-omik»-Technologie,
auf, dass es möglich ist, durch Zusammensetzen von kostengünstiger, sondern ruft bei den Diabetes-Patienten die den Blick der Forschenden auf Zellen oder andere
DNA-Fragmenten unterschiedlicher Herkunft neuartige – im Unterschied zu tierischem Insulin – auch keine biologische Systems schärft und es ihnen erlaubt, deren
Erbsubstanz zu erschaffen und diese in ein Lebewesen Abwehrreaktionen des Immunsystems hervor, denn die Komplexität annähernd zu erfassen. Die Metabolomik
einzuführen, um dessen Eigenschaften zu verändern. Bakterien produzieren menschliches Insulin. ermöglicht es, Hunderte von Stoffwechselprodukten zu
erfassen; mit der
Die Möglichkeit, neue Erbsubstanz zu schaffen, regte Die Systembiologie eröffnet neue Horizonte Die Gentechnologie Proteomik können
bereits damals die Fantasie der Forschungskreise, aber Zu Beginn des 21. Jahrhunderts geschah – bedingt ist bis heute Tausende von Pro-
auch der Öffentlichkeit an. Es wurden sowohl die durch weit reichende technologische und methodische teinen analysiert
der wichtigste
Chancen beispielsweise in der Medizin als auch die Entwicklungen – ein Paradigmenwechsel in der modernen werden. Eine wei-
Risiken gesehen. So gab es Befürchtungen, dass uner- Biologie: Der Blick ging weg von der detaillierten expe- methodische Zugang tere Technologie
wartet gefährliche Bakterien entstehen könnten. An der rimentellen Untersuchung einzelner Gene und Proteine zur Synthetischen ist die Transkripto-
Asilomar-Konferenz 1975 im kalifornischen Pacific Grove und deren isolierter Funktion hin zu einem gesamten Biologie. mik. Das Auslesen
diskutierten Wissenschaftler, Juristen und Ethiker über biologischen System, beispielsweise einer ganzen Zelle, von Information
mögliche Folgen der Gentechnologie. Diese Konferenz eines Gewebes oder gar eines gesamten Organismus. aus dem Genom geschieht in zwei Schritten. In einem
war wegweisend für die öffentliche Diskussion zu Eine Vielzahl technologischer Fortschritte hatte diese ersten Schritt wird eine Kopie der betreffenden Sequenz
Technikfolgen und für die Aufstellung staatlicher Rege- Entwicklung getrieben, sodass man nun erstmalig Zellen der DNA, also eines Gens, erstellt und zwar als so ge-
lungen in der ganzen Welt. umfassend untersuchen konnte. Startpunkt dieser nannte Boten-RNA. Dieser Vorgang trägt den Namen
Entwicklung bildeten die neuen Möglichkeiten, die Erb- Transkription. Die Sequenz der Boten-RNA wird im zwei-
substanz DNA schnell und präzise zu sequenzieren. ten Schritt benutzt, um eine Aminosäurekette in der
6 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 7
Rubriktitel Rubriktitel
Historischer Rückblick
Ihre Wurzeln hat die Synthetische Biologie in der Gentechnologie, die in den letzten 30 Jahren zu
einer Basistechnologie geworden ist. Doch erst der Paradigmenwechsel hin zur Systembiologie
eröffnet nun die Perspektive, neue biologische Systeme zu konstruieren, wie es die Synthetische
Biologie anstrebt.
Die Synthetische Biologie ist eine relativ junge For- Erfolge der Gentechnologie 2001 wurde in einer bisher beispiellosen langjährigen gewünschten Reihenfolge zu bilden (die so genannte
schungsdisziplin. Ihre Wurzeln liegen in der Gentech- Die Gentechnologie ist bis heute der wichtigste metho- und internationalen Kooperation Hunderter Forschenden Translation). Die Transkriptomik ermöglicht es, Tausen-
nologie. Einen Meilenstein bildete in den 1970er Jahren dische Zugang zur Synthetischen Biologie. Die klassische die Rohfassung des menschlichen Genoms veröffentlicht. de unterschiedlicher Boten-RNAs zu identifizieren und
die Entdeckung der so genannten Restriktionsen- Gentechnologie zielt auf relativ stark begrenzte einzel- Heute, also nur zehn Jahre später, wird die Sequen- zu quantifizieren. Dadurch wird erstmalig ein detail-
donukleasen durch Werner Arber am Biozentrum der ne Eingriffe ab und schafft gentechnisch veränderte zierung und Analyse von kompletten Genomen, die so lierter Einblick in den physiologischen Zustand einer
Universität Basel. Diese Enzyme, auch als molekulare Organismen. Gut 30 Jahre nach den ersten Durchbrüchen genannte Genomik, als Dienstleistung angeboten. Und Zelle möglich, das heisst, darüber, welche Gene wann
Scheren bekannt, schneiden DNA-Stränge an definierten ist sie zu einer wichtigen Basistechnologie geworden schon in wenigen Jahren wird es wohl Realität, dass wie aktiv sind.
Stellen auseinander. So konnten nun im Labor gezielt und findet Anwendung in alltäglichen Produkten. So wird das Genom eines Individuums für nur 1000 US-Dollar
DNA-Fragmente präpariert werden. 1973 gelang es den zum Beispiel ein Teil der Käseproduktion heute nicht sequenziert werden kann. Die Sequenz allein sagt aller- Ein besseres Verständnis der biologischen Systeme
Forschenden um Robert B. Helling von der University mehr mit Labferment aus Kälbern, sondern mit gentech- dings wenig aus; es wird weiterhin aufwendig und eröffnet nun die Perspektive, Zellen mit bestimmten
of California in San Francisco erstmalig, aus zwei DNA- nisch hergestellten Enzymen produziert. Oder Insulin wird schwierig bleiben, Rückschlüsse auf eine Vielzahl von Eigenschaften zu planen und letztlich auch zu kon-
Fragmenten einen neuen DNA-Ring, Plasmid genannt, zu bereits seit den 1980er Jahren nicht mehr aus Schlacht- Funktionen (und Fehlfunktionen) zu ziehen. struieren.
konstruieren und diesen in das Bakterium Escherichia tieren aufwendig gewonnen, sondern grosstechnisch in
coli einzubauen. Dieses bahnbrechende Experiment zeigte Bakterienzellen hergestellt. Dieses Insulin ist nicht nur Die Genomik ist nicht die einzige «-omik»-Technologie,
auf, dass es möglich ist, durch Zusammensetzen von kostengünstiger, sondern ruft bei den Diabetes-Patienten die den Blick der Forschenden auf Zellen oder andere
DNA-Fragmenten unterschiedlicher Herkunft neuartige – im Unterschied zu tierischem Insulin – auch keine biologische Systems schärft und es ihnen erlaubt, deren
Erbsubstanz zu erschaffen und diese in ein Lebewesen Abwehrreaktionen des Immunsystems hervor, denn die Komplexität annähernd zu erfassen. Die Metabolomik
einzuführen, um dessen Eigenschaften zu verändern. Bakterien produzieren menschliches Insulin. ermöglicht es, Hunderte von Stoffwechselprodukten zu
erfassen; mit der
Die Möglichkeit, neue Erbsubstanz zu schaffen, regte Die Systembiologie eröffnet neue Horizonte Die Gentechnologie Proteomik können
bereits damals die Fantasie der Forschungskreise, aber Zu Beginn des 21. Jahrhunderts geschah – bedingt ist bis heute Tausende von Pro-
auch der Öffentlichkeit an. Es wurden sowohl die durch weit reichende technologische und methodische teinen analysiert
der wichtigste
Chancen beispielsweise in der Medizin als auch die Entwicklungen – ein Paradigmenwechsel in der modernen werden. Eine wei-
Risiken gesehen. So gab es Befürchtungen, dass uner- Biologie: Der Blick ging weg von der detaillierten expe- methodische Zugang tere Technologie
wartet gefährliche Bakterien entstehen könnten. An der rimentellen Untersuchung einzelner Gene und Proteine zur Synthetischen ist die Transkripto-
Asilomar-Konferenz 1975 im kalifornischen Pacific Grove und deren isolierter Funktion hin zu einem gesamten Biologie. mik. Das Auslesen
diskutierten Wissenschaftler, Juristen und Ethiker über biologischen System, beispielsweise einer ganzen Zelle, von Information
mögliche Folgen der Gentechnologie. Diese Konferenz eines Gewebes oder gar eines gesamten Organismus. aus dem Genom geschieht in zwei Schritten. In einem
war wegweisend für die öffentliche Diskussion zu Eine Vielzahl technologischer Fortschritte hatte diese ersten Schritt wird eine Kopie der betreffenden Sequenz
Technikfolgen und für die Aufstellung staatlicher Rege- Entwicklung getrieben, sodass man nun erstmalig Zellen der DNA, also eines Gens, erstellt und zwar als so ge-
lungen in der ganzen Welt. umfassend untersuchen konnte. Startpunkt dieser nannte Boten-RNA. Dieser Vorgang trägt den Namen
Entwicklung bildeten die neuen Möglichkeiten, die Erb- Transkription. Die Sequenz der Boten-RNA wird im zwei-
substanz DNA schnell und präzise zu sequenzieren. ten Schritt benutzt, um eine Aminosäurekette in der
6 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 7
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Die Minimale Zelle
Die Evolution hat äusserst komplexe Organismen hervorgebracht. Forschende suchen nach Wegen,
diese Komplexität zu reduzieren, ohne die wichtigsten Fähigkeiten lebender Organismen zu
beeinträchtigen. So entstehen Minimale Zellen, die als Basisorganismus für die Synthetische
Biologie dienen.
Jeder lebende Organismus zeichnet sich durch einen Forschende versuchen über zwei unterschiedliche Rückgrat des Polymers und ihre negativen elektrischen Spenderorganismus oder durch Synthese. So gelang es
bemerkenswerten Dualismus aus: Einerseits besitzt Routen eine Minimale Zelle zu konstruieren: Einerseits Ladungen tragen unter anderem zur Stabilität der DNA Forschenden am J. Craig Venter Institute, die DNA aus
jedes Individuum einen Genotypen, das heisst die im gehen sie im so genannten «top-down»-Ansatz von bei. Alle Bemühungen von Forschenden dieses Rückgrat dem Bakterium Mycoplasma mycoides Large Colony
Genom gespeicherte Information. Anderseits einen komplexen und intakten Organismen beziehungsweise zu modifizieren blieben fruchtlos. Nicht einmal mit in Zellen des Bakteriums Mycoplasma capricolum zu
Phänotypen, das heisst das effektive Erscheinungsbild Zellen aus. Anderseits beginnen die Forschenden im den besten ungeladenen Derivaten war es möglich, transplantieren. Nach mehreren Zellteilungen ver-
des Individuums, das sich in den Biomolekülen zeigt, so genannten «bottom-up»-Ansatz von Grund auf mit stabile Doppelstränge zu bilden. Dagegen gelang es, schwand das Genom der Wirtszelle und wurde komplett
wie Proteinen, Polysacchariden oder Lipiden. Ein chemischen oder biochemischen Substanzen. zusätzliche Nukleobasen zu synthetisieren, die Paare durch das Genom des Spenders ersetzt.
Organismus ist somit das Zusammenspiel von Genotyp, bilden, zu stabilen Doppelsträngen führen und auch
Phänotyp sowie dem Milieu, in dem er lebt, und zudem «bottom-up»-Ansatz vervielfältigt werden können. Die Fähigkeit, das In Forschungskreisen ist man sich einig, dass nicht
als Folge der langen biologischen Evolution unter- Der «bottom-up»-Ansatz orientiert sich an den Kon- Genom präzise zu kopieren, ist für biotechnologische die Herstellung der DNA die grösste zu überwindende
schiedlich komplex. Lebende Organismen sind fähig, zepten, wie das Leben entstanden ist. Forschende ver- Anwendungen unerlässlich. Hürde ist, sondern die Aktivierung der nackten DNA,
sich zu entwickeln, sich zu reproduzieren, zu wachsen suchen, eine neue synthetische oder halb-synthetische da diese für den Wirtsorganismus toxisch oder sogar
und zu differenzieren sowie einen Stoffwechsel auf- Zelle von Grund auf herzustellen, indem sie verfügbare «top-down»-Ansatz tödlich sein kann. Offenbar muss ein Gleichgewicht
rechtzuerhalten. Das unterscheidet sie grundlegend von oder synthetisierbare chemische Substanzen ver- Nur schon das Darmbakterium Escherichia coli verfügt zwischen essenziellen und «toxischen» Genen erreicht
unbelebten Systemen. wenden. Dies können das Genom, supramolekulare über 4500 Gene. Beim Menschen sind es 25 000. Für werden.
Komplexe oder diverse Biomoleküle sein, die sich unter eine Minimale Zelle müssen es viel weniger sein. Der
Reduzieren zur Minimalen Zelle geeigneten Bedingungen spontan zu «top-down»-Ansatz konstruiert eine Zelle, indem ein Die Minimale Zelle ist ein Basisorganismus oder Chassis,
Die Entwicklung vom Unbelebten zum elementaren Protozellen formieren. bestehendes Genom vereinfacht wird. Das Phänomen dem nach Bedarf weitere Funktionalitäten aufgesetzt
Belebten versetzt uns in grosses Stau-
Die Minimale Zelle ist Sie bilden dadurch ein zellähnliches der Genomreduktion ist bekannt von Endosymbionten werden können. Damit das gelingt, muss dieser Basis-
nen. Der Stachel der Neugier sitzt tief, ein Basisorganismus Kompartiment, das sich zu einer und intrazellulären Parasiten. Um zu überleben, stützten organismus über einige wichtige Charakteristika ver-
zu verstehen, wie eine solche Umwand- oder Chassis, dem selbst-reproduzierenden, autopoietis- sich diese auf ein Genom, das nur essenzielle Gene für fügen wie robuste Mechanismen zur Kontrolle und
lung abläuft. Der berühmte Physiker nach Bedarf weitere chen Zelle entwickeln kann. den Stoffwechsel, das Überleben der Zelle und dessen Synchronisierung der Zellteilung, niedrige Mutations-
und Nobelpreisträger Richard Feynman Vermehrung enthält. In ersten erfolgreichen Versuchen raten, einen optimierten Fluss von Stoffwechselenergie
vertrat den Standpunkt: «What I
Funktionalitäten gelang es, ein minimales Genom mit 256 Genen zu re-
Ein Ansatzpunkt dabei ist, die che- sowie eine widerstandsfähige Zellwand, damit die
cannot create, I do not understand». aufgesetzt werden mische Struktur der DNA zu variieren. konstruieren. In der Zwischenzeit wurde diese Zahl auf Zellen auch dichtgedrängt gezüchtet werden können.
Die Herausforderung liegt nun darin, können. Dieses Polymer ist aus Nukleotiden rund 150 reduziert.
geeignete Prozeduren und Methoden aufgebaut, die aus drei Komponenten
zu finden, um die Komplexität biologischer Systeme bestehen: einer Nukleobase – Adenin, Guanin, Cytosin Der Umstand, dass die Kosten der DNA-Synthese laufend
zu reduzieren, ohne die oben erwähnten Fähigkeiten oder Thymin –, einem Zuckermolekül und einer geringer werden, belebt eine Variante des «top-down»-
und Merkmale lebender Organismen zu beeinträchtigen. Phosphatgruppe. Die Nukleobasen bilden Paare, Ansatzes: Die Transplantation eines ganzen Genoms
So entsteht eine Minimale Zelle, also eine Zelle mit nämlich Adenin mit Thymin sowie Guanin mit Cytosin. von einem Spender- in einen Wirtsmikroorganismus
einer minimalen Anzahl von Genen. So entsteht der Doppelstrang der DNA. Die Phosphat- von derselben oder einer anderen Spezies. Das gene-
gruppe bildet zusammen mit dem Zuckermolekül das tische Material erhält man durch Isolierung aus dem
8 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 9
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Die Minimale Zelle
Die Evolution hat äusserst komplexe Organismen hervorgebracht. Forschende suchen nach Wegen,
diese Komplexität zu reduzieren, ohne die wichtigsten Fähigkeiten lebender Organismen zu
beeinträchtigen. So entstehen Minimale Zellen, die als Basisorganismus für die Synthetische
Biologie dienen.
Jeder lebende Organismus zeichnet sich durch einen Forschende versuchen über zwei unterschiedliche Rückgrat des Polymers und ihre negativen elektrischen Spenderorganismus oder durch Synthese. So gelang es
bemerkenswerten Dualismus aus: Einerseits besitzt Routen eine Minimale Zelle zu konstruieren: Einerseits Ladungen tragen unter anderem zur Stabilität der DNA Forschenden am J. Craig Venter Institute, die DNA aus
jedes Individuum einen Genotypen, das heisst die im gehen sie im so genannten «top-down»-Ansatz von bei. Alle Bemühungen von Forschenden dieses Rückgrat dem Bakterium Mycoplasma mycoides Large Colony
Genom gespeicherte Information. Anderseits einen komplexen und intakten Organismen beziehungsweise zu modifizieren blieben fruchtlos. Nicht einmal mit in Zellen des Bakteriums Mycoplasma capricolum zu
Phänotypen, das heisst das effektive Erscheinungsbild Zellen aus. Anderseits beginnen die Forschenden im den besten ungeladenen Derivaten war es möglich, transplantieren. Nach mehreren Zellteilungen ver-
des Individuums, das sich in den Biomolekülen zeigt, so genannten «bottom-up»-Ansatz von Grund auf mit stabile Doppelstränge zu bilden. Dagegen gelang es, schwand das Genom der Wirtszelle und wurde komplett
wie Proteinen, Polysacchariden oder Lipiden. Ein chemischen oder biochemischen Substanzen. zusätzliche Nukleobasen zu synthetisieren, die Paare durch das Genom des Spenders ersetzt.
Organismus ist somit das Zusammenspiel von Genotyp, bilden, zu stabilen Doppelsträngen führen und auch
Phänotyp sowie dem Milieu, in dem er lebt, und zudem «bottom-up»-Ansatz vervielfältigt werden können. Die Fähigkeit, das In Forschungskreisen ist man sich einig, dass nicht
als Folge der langen biologischen Evolution unter- Der «bottom-up»-Ansatz orientiert sich an den Kon- Genom präzise zu kopieren, ist für biotechnologische die Herstellung der DNA die grösste zu überwindende
schiedlich komplex. Lebende Organismen sind fähig, zepten, wie das Leben entstanden ist. Forschende ver- Anwendungen unerlässlich. Hürde ist, sondern die Aktivierung der nackten DNA,
sich zu entwickeln, sich zu reproduzieren, zu wachsen suchen, eine neue synthetische oder halb-synthetische da diese für den Wirtsorganismus toxisch oder sogar
und zu differenzieren sowie einen Stoffwechsel auf- Zelle von Grund auf herzustellen, indem sie verfügbare «top-down»-Ansatz tödlich sein kann. Offenbar muss ein Gleichgewicht
rechtzuerhalten. Das unterscheidet sie grundlegend von oder synthetisierbare chemische Substanzen ver- Nur schon das Darmbakterium Escherichia coli verfügt zwischen essenziellen und «toxischen» Genen erreicht
unbelebten Systemen. wenden. Dies können das Genom, supramolekulare über 4500 Gene. Beim Menschen sind es 25 000. Für werden.
Komplexe oder diverse Biomoleküle sein, die sich unter eine Minimale Zelle müssen es viel weniger sein. Der
Reduzieren zur Minimalen Zelle geeigneten Bedingungen spontan zu «top-down»-Ansatz konstruiert eine Zelle, indem ein Die Minimale Zelle ist ein Basisorganismus oder Chassis,
Die Entwicklung vom Unbelebten zum elementaren Protozellen formieren. bestehendes Genom vereinfacht wird. Das Phänomen dem nach Bedarf weitere Funktionalitäten aufgesetzt
Belebten versetzt uns in grosses Stau-
Die Minimale Zelle ist Sie bilden dadurch ein zellähnliches der Genomreduktion ist bekannt von Endosymbionten werden können. Damit das gelingt, muss dieser Basis-
nen. Der Stachel der Neugier sitzt tief, ein Basisorganismus Kompartiment, das sich zu einer und intrazellulären Parasiten. Um zu überleben, stützten organismus über einige wichtige Charakteristika ver-
zu verstehen, wie eine solche Umwand- oder Chassis, dem selbst-reproduzierenden, autopoietis- sich diese auf ein Genom, das nur essenzielle Gene für fügen wie robuste Mechanismen zur Kontrolle und
lung abläuft. Der berühmte Physiker nach Bedarf weitere chen Zelle entwickeln kann. den Stoffwechsel, das Überleben der Zelle und dessen Synchronisierung der Zellteilung, niedrige Mutations-
und Nobelpreisträger Richard Feynman Vermehrung enthält. In ersten erfolgreichen Versuchen raten, einen optimierten Fluss von Stoffwechselenergie
vertrat den Standpunkt: «What I
Funktionalitäten gelang es, ein minimales Genom mit 256 Genen zu re-
Ein Ansatzpunkt dabei ist, die che- sowie eine widerstandsfähige Zellwand, damit die
cannot create, I do not understand». aufgesetzt werden mische Struktur der DNA zu variieren. konstruieren. In der Zwischenzeit wurde diese Zahl auf Zellen auch dichtgedrängt gezüchtet werden können.
Die Herausforderung liegt nun darin, können. Dieses Polymer ist aus Nukleotiden rund 150 reduziert.
geeignete Prozeduren und Methoden aufgebaut, die aus drei Komponenten
zu finden, um die Komplexität biologischer Systeme bestehen: einer Nukleobase – Adenin, Guanin, Cytosin Der Umstand, dass die Kosten der DNA-Synthese laufend
zu reduzieren, ohne die oben erwähnten Fähigkeiten oder Thymin –, einem Zuckermolekül und einer geringer werden, belebt eine Variante des «top-down»-
und Merkmale lebender Organismen zu beeinträchtigen. Phosphatgruppe. Die Nukleobasen bilden Paare, Ansatzes: Die Transplantation eines ganzen Genoms
So entsteht eine Minimale Zelle, also eine Zelle mit nämlich Adenin mit Thymin sowie Guanin mit Cytosin. von einem Spender- in einen Wirtsmikroorganismus
einer minimalen Anzahl von Genen. So entsteht der Doppelstrang der DNA. Die Phosphat- von derselben oder einer anderen Spezies. Das gene-
gruppe bildet zusammen mit dem Zuckermolekül das tische Material erhält man durch Isolierung aus dem
8 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 9
Rubriktitel Rubriktitel
Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht
Die Synthetische Biologie soll zu einer echten Ingenieurwissenschaft werden. Dazu muss sie
allerdings einige Bedingungen erfüllen wie die Orthogonalität. Das bedeutet, dass die Bauteile
der Synthetischen Biologie frei und unabhängig voneinander kombinierbar sein müssen.
Gelingt dies, hat die Synthetische Biologie ein beachtliches wirtschaftliches Potenzial.
Basierend auf rationalem Design will die Synthetische • Trennung von Design, Entwurf und Herstellung: In Aminosäuren Verwendung finden könnten. Um künst- Futtermittelzusatz benötigte Aminosäure Lysin, die
Biologie biologische und synthetische Einheiten mit- der Biotechnologie ist diese Trennung – anders als liche Aminosäuren an ausgewählten Positionen eines derzeit mit klassischen biotechnologischen Verfahren
einander verknüpfen, um so selektiv Zellen mit be- etwa im Autobau – noch nicht gegeben. Um eine Proteins einzuschleusen, muss die DNA entsprechend im Massstab von 700 000 Tonnen – entspricht einem
stimmten Eigenschaften zu konstruieren. Insgesamt wirkliche Ingenieurwissenschaft zu werden, muss modifiziert und der Marktwert von zwei Milliarden Schweizer Franken –
zeichnet sich damit eine neue Ingenieurwissenschaft dies allerdings geschehen. Noch befindet sich Auslesevorgang der jährlich produziert wird. Neue Prozesse könnten auf
ab. Um in der industriellen Biotechnologie eingesetzt Erbinformation an- neue Rohstoffquellen zurückgreifen und so Ressourcen
die Synthetische
zu werden, sollen Zellen so gestaltet sein, dass sie Orthogonale Biosysteme zähmen Komplexität gepasst werden. und Energie sparen und Abfälle vermeiden. Insgesamt
für Bioreaktoren ideal angepasst sind und – je nach Bei der Konstruktion neuartiger Biosysteme spielt die Biologie im Auf diese Weise zeichnen sich eine höhere Produktivität und ganz neue
genetischer Ausstattung – unterschiedliche Produkte Komplexität eine zentrale Rolle: Neu eingebrachte Grundlagenstadium. können lebende Produktionskonzepte ab.
synthetisieren. Noch befindet sich die Synthetische Moleküle oder Schaltkreise treten in Wechselwirkung Zellen so program-
Biologie im Grundlagenstadium. Für den Übergang zur mit dem bestehenden System. Um möglichst unabhän- miert werden, dass sie beliebige Proteine synthetisie- Ausgehend von der bereits grossen Bedeutung der
Ingenieurwissenschaft muss sie fünf Prinzipien er- gig voneinander funktionierende Bausteine einzubauen, ren, die beispielsweise als neue Werkstoffe für Zahnim- Biotechnologie in der chemischen Industrie könnte
füllen, die Sven Panke von der ETH Zürich wie folgt wird das Konzept der orthogonalen Biosysteme verfolgt. plantate oder Knorpel- und Knochenersatz, als es in den nächsten Jahren zu einer regelrechten Bio-
formuliert hat: Orthogonalität bedeutet freie Kombinierbarkeit aller Medikamente oder als Katalysatoren für chemische logisierung der Wirtschaft kommen, mit einem ent-
Bauteile. Das Konzept will Teilsysteme modifizieren, Reaktionen oder auch für Forschungszwecke zur Aufklä- sprechend grossen Anteil der Synthetischen Biologie.
• Umfassendes Wissen: Dabei spielt besonders die ohne gleichzeitig andere Teilsysteme erheblich zu rung von Strukturen und Funktionen dienen können.
zelluläre Systembiologie eine wichtige Rolle. stören oder zu verändern. Nimmt man als Vergleich
den Autobau, ginge es beispielsweise darum, ein neues Wirtschaftliches Potenzial ist da
• Orthogonalität: Gemeint ist, dass die kombinierten Autoradio einzubauen, ohne die Leistung der Scheiben- Noch lässt sich zwar die ökonomische Bedeutung der
Teile voneinander unabhängig sein sollen, damit wischer zu beeinflussen. Synthetischen Biologie nicht verlässlich abschätzen; es
ein modularer Aufbau möglich ist und keine un- sind jedoch bereits marktnahe Produkte in der Pipeline,
vorhergesehenen Nebeneffekte auftreten. Erst wenn die Orthogonalität in biologischen Systemen die sowohl für die industrielle Verwertung als auch
verwirklicht werden kann, sind die Voraussetzungen für den gesellschaftlichen Nutzen viel versprechende
• Hierarchische Organisation: Untersysteme müssen eine Synthetische Biologie im Sinne gezielter Eingriffe Perspektiven bieten. Der Katalog umfasst Medikamente,
in der Synthetischen Biologie auf verschiedenen geschaffen, die über den rein empirischen Ansatz neuartige Verfahren zur Gentherapie, die Produktion
Abstraktionsebenen betrachtet werden können. hinausgehen und die nicht in der zellulären Komplexität umwelt- und ressourcenschonender Fein- und Industrie-
Etwa im Unterschied zur Biotechnologie, in der die gefangen bleiben. chemikalien, biogene Treibstoffe sowie neue Werk-
molekulare Sicht dominiert. stoffe wie polymere Verbindungen.
Als Beispiel sei das Engineering des genetischen Codes
• Standardisierung: Biologische Systeme sind kom- genannt: Ein Protein ist aus bis zu 20 unterschiedlichen Tatsächlich können schon kleinere Verbesserungen in
plex und vielfältig. Ein Ansatz, die Komplexität zu Aminosäuren aufgebaut, welche die Struktur und Funk- biotechnologischen Prozessen, die durch Methoden
reduzieren, ist die Verwendung standardisierter tion des Proteins prägen. Es gibt freilich keinen che- der Synthetischen Biologie gelingen, eine erhebliche
Bausteine. mischen oder biologischen Grund, warum nicht weitere wirtschaftliche Relevanz haben. Ein Beispiel ist die als
10 Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht Synthetische Biologie – Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht 11Rubriktitel Rubriktitel
Eine neue Ingenieurwissenschaft entsteht
Die Synthetische Biologie soll zu einer echten Ingenieurwissenschaft werden. Dazu muss sie
allerdings einige Bedingungen erfüllen wie die Orthogonalität. Das bedeutet, dass die Bauteile
der Synthetischen Biologie frei und unabhängig voneinander kombinierbar sein müssen.
Gelingt dies, hat die Synthetische Biologie ein beachtliches wirtschaftliches Potenzial.
Basierend auf rationalem Design will die Synthetische • Trennung von Design, Entwurf und Herstellung: In Aminosäuren Verwendung finden könnten. Um künst- Futtermittelzusatz benötigte Aminosäure Lysin, die
Biologie biologische und synthetische Einheiten mit- der Biotechnologie ist diese Trennung – anders als liche Aminosäuren an ausgewählten Positionen eines derzeit mit klassischen biotechnologischen Verfahren
einander verknüpfen, um so selektiv Zellen mit be- etwa im Autobau – noch nicht gegeben. Um eine Proteins einzuschleusen, muss die DNA entsprechend im Massstab von 700 000 Tonnen – entspricht einem
stimmten Eigenschaften zu konstruieren. Insgesamt wirkliche Ingenieurwissenschaft zu werden, muss modifiziert und der Marktwert von zwei Milliarden Schweizer Franken –
zeichnet sich damit eine neue Ingenieurwissenschaft dies allerdings geschehen. Noch befindet sich Auslesevorgang der jährlich produziert wird. Neue Prozesse könnten auf
ab. Um in der industriellen Biotechnologie eingesetzt Erbinformation an- neue Rohstoffquellen zurückgreifen und so Ressourcen
die Synthetische
zu werden, sollen Zellen so gestaltet sein, dass sie Orthogonale Biosysteme zähmen Komplexität gepasst werden. und Energie sparen und Abfälle vermeiden. Insgesamt
für Bioreaktoren ideal angepasst sind und – je nach Bei der Konstruktion neuartiger Biosysteme spielt die Biologie im Auf diese Weise zeichnen sich eine höhere Produktivität und ganz neue
genetischer Ausstattung – unterschiedliche Produkte Komplexität eine zentrale Rolle: Neu eingebrachte Grundlagenstadium. können lebende Produktionskonzepte ab.
synthetisieren. Noch befindet sich die Synthetische Moleküle oder Schaltkreise treten in Wechselwirkung Zellen so program-
Biologie im Grundlagenstadium. Für den Übergang zur mit dem bestehenden System. Um möglichst unabhän- miert werden, dass sie beliebige Proteine synthetisie- Ausgehend von der bereits grossen Bedeutung der
Ingenieurwissenschaft muss sie fünf Prinzipien er- gig voneinander funktionierende Bausteine einzubauen, ren, die beispielsweise als neue Werkstoffe für Zahnim- Biotechnologie in der chemischen Industrie könnte
füllen, die Sven Panke von der ETH Zürich wie folgt wird das Konzept der orthogonalen Biosysteme verfolgt. plantate oder Knorpel- und Knochenersatz, als es in den nächsten Jahren zu einer regelrechten Bio-
formuliert hat: Orthogonalität bedeutet freie Kombinierbarkeit aller Medikamente oder als Katalysatoren für chemische logisierung der Wirtschaft kommen, mit einem ent-
Bauteile. Das Konzept will Teilsysteme modifizieren, Reaktionen oder auch für Forschungszwecke zur Aufklä- sprechend grossen Anteil der Synthetischen Biologie.
• Umfassendes Wissen: Dabei spielt besonders die ohne gleichzeitig andere Teilsysteme erheblich zu rung von Strukturen und Funktionen dienen können.
zelluläre Systembiologie eine wichtige Rolle. stören oder zu verändern. Nimmt man als Vergleich
den Autobau, ginge es beispielsweise darum, ein neues Wirtschaftliches Potenzial ist da
• Orthogonalität: Gemeint ist, dass die kombinierten Autoradio einzubauen, ohne die Leistung der Scheiben- Noch lässt sich zwar die ökonomische Bedeutung der
Teile voneinander unabhängig sein sollen, damit wischer zu beeinflussen. Synthetischen Biologie nicht verlässlich abschätzen; es
ein modularer Aufbau möglich ist und keine un- sind jedoch bereits marktnahe Produkte in der Pipeline,
vorhergesehenen Nebeneffekte auftreten. Erst wenn die Orthogonalität in biologischen Systemen die sowohl für die industrielle Verwertung als auch
verwirklicht werden kann, sind die Voraussetzungen für den gesellschaftlichen Nutzen viel versprechende
• Hierarchische Organisation: Untersysteme müssen eine Synthetische Biologie im Sinne gezielter Eingriffe Perspektiven bieten. Der Katalog umfasst Medikamente,
in der Synthetischen Biologie auf verschiedenen geschaffen, die über den rein empirischen Ansatz neuartige Verfahren zur Gentherapie, die Produktion
Abstraktionsebenen betrachtet werden können. hinausgehen und die nicht in der zellulären Komplexität umwelt- und ressourcenschonender Fein- und Industrie-
Etwa im Unterschied zur Biotechnologie, in der die gefangen bleiben. chemikalien, biogene Treibstoffe sowie neue Werk-
molekulare Sicht dominiert. stoffe wie polymere Verbindungen.
Als Beispiel sei das Engineering des genetischen Codes
• Standardisierung: Biologische Systeme sind kom- genannt: Ein Protein ist aus bis zu 20 unterschiedlichen Tatsächlich können schon kleinere Verbesserungen in
plex und vielfältig. Ein Ansatz, die Komplexität zu Aminosäuren aufgebaut, welche die Struktur und Funk- biotechnologischen Prozessen, die durch Methoden
reduzieren, ist die Verwendung standardisierter tion des Proteins prägen. Es gibt freilich keinen che- der Synthetischen Biologie gelingen, eine erhebliche
Bausteine. mischen oder biologischen Grund, warum nicht weitere wirtschaftliche Relevanz haben. Ein Beispiel ist die als
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Mit DNA Daten verarbeiten
Einige Vorgänge in der lebenden Zelle besitzen grosse Ähnlichkeiten mit Arbeitsweisen, mit
denen Daten verarbeitet werden können. Interessant ist dies vor allem für Problemstellungen,
an denen gängige Computer scheitern. Verschiedene Konzepte des «DNA Computing» wurden
bereits entwickelt.
Dank der Synthetischen Biologie sollte es möglich Erstaunlicherweise besitzen aber gewisse molekular- binden. In einem Gemisch all dieser DNA-Stücke gehen Biologische Turingmaschine
werden, Biomoleküle so zusammenzusetzen, dass sie biologische Vorgänge grosse Ähnlichkeit mit der Arbeits- innert Minuten diejenigen DNA-Stücke eine Verbindung Ein zweites Konzept erinnert eher an die Turingmaschine:
Berechnungen durchführen können. Berechnung soll weise einer Turingmaschine. Beispielsweise die Tran- ein, die komplementäre Regionen besitzen. Auf diese Eine Maschine aus DNA und Enzymen kann selbstständig
hier im allgemeinen Sinn verstanden werden, also als skription, der Vorgang, bei dem die Information des Weise werden im Teströhrchen alle möglichen Routen als erkennen, ob bestimmte Boten-RNA vermehrt vorhan-
kontrolliertes Verarbeiten von Informationen, wie dies DNA-Stranges in Boten-RNA umgeschrieben wird. Der zusammengesetzte DNA-Stücke dargestellt. Aufwendig den sind, und bei entsprechend positivem Befund
heute Computer tun. Informatiker und Molekularbiologe Leonard Adleman an diesem Experiment ist es nun, dasjenige zusam- gleichzeitig ein therapeutisches Molekül freigeben.
von der University of Southern California in Los Angeles menhängende DNA-Stück herauszufischen, das die Anwendung könnte eine solche Maschine in der Dia-
Der britische Mathematiker Alan Turing entwickelte präsentierte 1994 erste Ergebnisse für einen DNA- Bedingung erfüllt, dass alle Städte einmal und nur ein- gnose und Therapie bestimmter Krankheiten finden, wie
bereits 1936 ein Konzept für eine universell program- Computer. Damit war der Startschuss für das interdiszi- mal besucht werden dürfen. Dieser Aufwand nimmt in einigen Krebsarten, bei denen bestimmte Proteine
mierbare Maschine, die Turingmaschine. Dabei ging er plinäre Forschungsgebiet des «DNA Computing» ge- aber mit der Anzahl der Städte nur linear zu und nicht vermehrt und andere vermindert vorhanden sind. Dieser
davon aus, dass sich eine jegliche Berechnung in kleinste fallen. In der Zwischenzeit sind viele verschiedene exponentiell. Zustand wird nämlich auch in der Menge der ent-
und einfachste Schritte zerlegen lässt. Eine solche Konzepte entwickelt worden, wie die Information, die sprechenden Boten-RNA gespiegelt. Bislang funktio-
Maschine könnte alle Zeichen aus einer endlichen auf einem Stück DNA kodiert ist, benutzt werden kann, Mit diesem Kon- niert dieses Konzept zwar erst im Teströhrchen. Doch
Anzahl Zeichen, die hintereinander auf einem Streifen um Daten zu verarbeiten.
Anwendung könnte eine zept kann die kor- immerhin konnte gezeigt werden, dass ein bioche-
geschrieben stehen, nacheinander lesen. Nachdem sie «Rechenmaschine» aus rekte Lösung in- misches Krankheitssymptom direkt mit den Rechen-
ein Zeichen gelesen hat, schreibt die Maschine, ab- Lösung für den Handlungsreisenden DNA und Enzymen in nert kürzester Zeit schritten eines molekularen Computers gekoppelt
hängig von ihrem Zustand und dem gelesenen Zeichen, Mit einem der Konzepte lässt sich das bekannte und der Diagnose und hergestellt wer- werden kann. Auf der Inputseite wird die Umgebung
auf Grund einer bestimmten, vorprogrammierten Arbeits- für herkömmliche Computer schwierige Problem des den, da alle Mög- sensorisch erfasst; der Computer verarbeitet dann
Therapie bestimmter
anweisung auf einem zweiten Streifen ein Zeichen, geht Handlungsreisenden lösen: Gegeben ist eine Anzahl lichkeiten parallel diese Information und setzt als Output beispielsweise
in einen anderen Zustand über und die eigene Position Städte, zwischen denen es zwar Flugverbindungen gibt,
Krankheiten finden. verarbeitet wer- therapeutische Moleküle frei.
wird so verschoben, dass sie das nächste Zeichen lesen jedoch nicht von jeder Stadt zu jeder anderen. Der den. Dies steht im
kann. Auf diese Weise lässt sich theoretisch jedes be- Handlungsreisende muss nun jede Stadt einmal be- Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die bei diesem Die Forschungsergebnisse lassen vermuten, dass in
rechenbare Problem lösen. Die Turingmaschine ist jedoch suchen, jedoch nicht mehrmals. Da mit zunehmender Problemtyp jede einzelne Möglichkeit sequenziell auf Zukunft diese Art von Computing von fundamentaler
ein Konzept, das mechanisch viel zu kompliziert und Anzahl Städte die Anzahl der Möglichkeiten exponen- Korrektheit durchtesten. Aber auch dieses Konzept des Bedeutung sein wird, nicht zuletzt für die Gesundheit
zu langsam ist, um realisiert zu werden; auch Turing tiell steigt, benötigen solche Berechnungen sehr viel DNA-Computing kennt Grenzen: Je grösser die Anzahl des Menschen. Ob die Produktion der einzelnen Be-
selber hatte nie erwähnt, woraus eine solche Maschine Rechenkapazität – oft zu viel, auch für heutige Super- der Städte, desto mehr DNA-Stücke müssen in das Test- standteile, hauptsächlich der DNA, die chemisch-
bestehen könnte. computer. Experimentell wurde nun jede Stadt und röhrchen hinein. Dessen Kapazität ist irgendwann synthetisch hergestellt wird, der Nachfrage standhalten
jede Flugverbindung mit einem kleinen Stück einzel- erreicht, und die Handhabung bei grösseren Volumina kann und ökologisch sinnvoll ist, lässt sich allerdings
strängiger DNA dargestellt. Dabei kann das DNA-Stück wird deutlich schwieriger. nur schwierig absehen.
für einen Flug von einer Stadt in eine andere sich einer-
seits mit dem DNA-Stück, das die Abflugstadt darstellt,
und anderseits mit dem DNA-Stück, das die Ankunfts-
stadt darstellt, über komplementäre Basenpaarung ver-
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