Synthetische Biologie - zwischen Hoffnung und Hype

     

Wirksame Medikamente, grüne Kraftstoffe, biologische Minifabriken - die synthetische Biologie weckt große Hoffnungen. Doch praktische Anwendungen bleiben bislang Mangelware.

Biologen lernen von Ingenieuren. Das oft zitierte Motto der synthetischen Biologie beschreibt einen revolutionären Prozess: Biologen haben sich bislang darauf beschränkt, die Natur nur zu beobachten - doch nun wollen sie Neues erschaffen. Allerdings ist das junge Feld der synthetischen Biologie - selbst der Name entstand erst um das Jahr 2000 herum - dabei noch nicht allzu weit vorangekommen.

Synthetische Biologie

Der spektakulärste Erfolg bisher: Der Genom-Pionier Craig Venter verpflanzte im Jahr 2010 ein Genom zwischen zwei Bakterien - und bezeichnete das Resultat als künstliches Leben1. Viele Experte hielten diese Interpretation zwar für übertrieben2, doch die Aufmerk­samkeit der Medien war Venter gewiss. Das können andere synthetischen Biologen nur selten von sich behaupten, denn sie betreiben meist Grund­lagen­forschung und sind noch weit von praktischen Anwendungen entfernt.

Biokraftstoffe, Medikamente, Biosensoren

Dennoch mangelt es nicht an vollmundigen Ankündigungen. Biokraftstoffe sollen Öl und Benzin überflüssig machen. Synthetische Schaltkreise sollen Zellen in Biosensoren verwandeln, die Schadstoffe in der Umwelt aufspüren oder Infektionen im Körper bekämpfen. Und neuartige Medikamente für die Therapie von schwer heilbaren Krankheiten werden heraufbeschworen.

Dabei hapert es oft schon an den einfachsten Dingen. Bereits die Definition der synthetischen Biologie fällt schwer, was zur Folge hat, dass bei Nachfrage jeder Experte seine eigene Version formuliert3. Zwei zentrale Konzepte schälen sich dennoch heraus: Erstens wollen synthetische Biologen etwas Neues schaffen, das es bisher in der Natur noch nicht gab. Und zweitens streben viele eine Art biologischen Baukasten an, bei dem ein Grundgerüst beliebig mit Modulen erweitert werden kann. Die Module - oft BioBricks genannt - werden daher häufig mit Legosteinen verglichen.

Top-down oder Bottom-up?

Forscher verfolgen dabei zwei unterschiedliche Ansätze. Der radikalere von beiden wird als "Bottom-up" bezeichnet: Biologische Systeme sollen von Grund auf neu erzeugt werden. Ausgehend von einem Minimalorganismus - ein Lebewesen, das nur die notwendigsten Gene enthält - werden einzelne Stoffwechsel-Prozesse wie Steckmodule kombiniert. Wie in einem Baukasten sollen kleine Fabriken entstehen, die Produkte nach Bedarf liefern.

Der zweite Ansatz - "Top-down" genannt - geht das Ziel behutsamer an. Statt Zellen grundsätzlich umzubauen, werden sie nur in den Teilen verändert, die für das Vorhaben von Bedeutung sind. Das metabolic engineering versucht schon seit Jahrzehnten, diese Ziele mit den klassischen Methoden der Gentechnik zu erreichen. Doch die synthetische Biologie geht einen Schritt weiter: Während anfangs nur einzelne Komponenten optimiert wurden, sollen nun ganze Stoffwechselwege neu erschaffen werden.

Ein schwieriger Markt

Das Malariamittel Artemisinin zeigte, dass dieser Weg erfolgreich sein kann4. Synthetische Biologen kombinierten unterschiedliche Enzyme zu einem Stoffwechselweg, den es so in der Natur noch nicht gab. Ein wissenschaftliches Meisterstück - allerdings bislang ohne Chance, sich kommerziell auf dem Markt zu behaupten5.

Auch die Entwicklung von neuen Biokraftstoffen hat sich als höchst schwierig erwiesen. Nachdem sich mehrere Firmen bei derartigen Projekten die Finger verbrannt, wendet sich die Industrie nun weniger ambitionierten Vorhaben zu: Fasern, Geschmacksstoffe, Enzyme für industrielle Prozesse - etwa hundert einfache Produkte der synthetischen Biologie sind nun auf dem Markt zu finden6. Das ist nicht revolutionär, aber wenigstens profitabel7.

Wissenschaft und Industrie werten die synthetische Biologie als Chance, doch die Öffentlichkeit ist da deutlich zurückhaltender. Neue Technologien lösen Ängste aus - und natürlich ist auch die synthetische Biologie nicht frei von Risiken. Sollten synthetische Organismen aus dem Labor entweichen, wären die Folgen nur schwer abzuschätzen. Sie könnten empfindliche Ökosysteme aus dem Gleichgewicht bringen oder ihre künstlichen Gene an andere Lebewesen weitergeben - die dann im schlimmsten Fall zu einer Gefahr für den Menschen werden.

Der Gene Drive als größtes Risiko

Solange die Entwicklung der synthetischen Biologie noch in den Kinderschuhen steckt, ist es schwer zu beurteilen, ob die Gefahren reell oder die Ängste übertrieben sind. Bislang unterscheiden sich die Methoden kaum von denen der klassischen Gentechnik, deren Risiken schon lange Gegenstand kritischer Untersuchungen sind.

Am Horizont zeichnet sich jedoch eine neuartige Gefährdung ab - der Gene Drive. Manche Forscher wollen das Erbgut freilebender Tierarten verändern, und seit kurzem gibt ihnen die CRISPR-Technologie auch die Möglichkeit dazu. Ein Gene Drive könnte Infektionskrankheiten wie die Malaria bekämpfen, die Auswirkungen auf natürliche Ökosysteme sind allerdings noch vollkommen unklar. Rein technisch besteht wohl schon bald die Möglichkeit, die ersten Gene Drives in der Natur zu testen - eine öffentliche Diskussion über die Gefahren will dennoch nicht recht in Gang kommen.

Die synthetische Biologie wird unser Leben zunehmend beeinflussen, das ist bereits absehbar. Doch wie stark wird dieser Einfluss werden? Hoffnung oder Hype - auf die Antwort werden wir noch einige Jahre warten müssen.

1 Gibson et al., Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome, Science 2010, vol. 392, pp. 52-6 (link)
2 Life after the synthetic cell, Nature 2010, vol. 465, pp. 422-4 (link)
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Synthetische Biologie

Leben aus dem Baukasten: Künstliche Stoff­wechsel­wege, zusammengesetzt aus Modulen, sollen die Produktion neuartiger Substanzen ermöglichen.

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Kurz und knapp 

  • die synthetische Biologie will neue biologische Systeme erschaffen
  • ine Definition der synthetischen Biologie fällt schwer, da Forscher viele unterschiedliche Ansätze verfolgen
  • der Bottom-up-Ansatz der synthetischen Biologie will grundsätzlich neue biologische Systeme erschaffen
  • der Top-down-Ansatz verändert bestehende Organismen, um ihn für seine Zwecke zu nutzen
  • mögliche praktische Anwendungen der synthetischen Biologie sind neue Medikamente, Biokraftstoffe und Biosensoren