Synthetische Biologie und Genom-Editierung - ein Ansatz für den Artenschutz?

Schätzungen zufolge leben auf der Erde mindestens 5 Millionen Tier- und Pflanzenarten. Davon sterben jährlich Tausende aus. Auch in der Schweiz gelten fast die Hälfte der untersuchten Arten als gefährdet. Wichtigste Treiber für das Artensterben sind der Verlust an Lebensraum und die Verschlechterung seiner Qualität. Auch Klimaerwärmung und invasive Arten haben hauptsächlich einen negativen Einfluss. Trotz nationalen und globalen Bemühungen im Umwelt- und Artenschutz ist es bisher nur vereinzelt gelungen, den Biodiversitätsverlust zu stoppen. Es stellt sich deshalb die Frage, ob - ergänzend zu bestehenden Anstrengungen - auch ganz neue Ansätze im Artenschutz angewandt werden sollen, etwa die Genom-Editierung und die Synthetische Biologie.

Mammutfunde
Bild: © Museum für Urgeschichte(n)

Bedrohte Arten stärken

Besonders gefährdet sind Arten mit einer sehr geringen genetischen Vielfalt. Sie leiden vermehrt an genetischen Krankheiten oder eingeschränkter Fruchtbarkeit. Auch können sie sich meist weniger gut an Umweltveränderungen anpassen, etwa an den Klimawandel oder neue Infektionskrankheiten. Verschiedentlich wurde deshalb bereits versucht, die genetische Vielfalt einer gefährdeten Population zu erhöhen. Normalerweise geschieht dies durch das Einkreuzen von Individuen aus anderen, genetisch möglichst unterschiedlichen Populationen. Auch die Gentechnik und besonders die Genomeditierung könnten grundsätzlich dazu genutzt werden, die genetische Vielfalt oder die Widerstandskraft einer Art zu erhöhen. So wird etwa darüber nachgedacht, gefährdete Amphibienarten gegen Pilzkrankheiten resistent zu machen oder Korallenarten an höhere Wassertemperaturen anzupassen.

Krankheiten und invasive Arten eindämmen

Die Gene Drive-Technik, die auf der Genom-Editierung aufbaut, könnte ebenfalls zum Schutz bedrohter Arten eingesetzt werden. So liessen sich etwa jene Mückenarten bekämpfen, welche die Vogelmalaria übertragen und damit seltene Vogelarten in Hawaii gefährden. Auch invasive Arten könnten mittels Gene Drive eingedämmt oder gar ganz entfernt werden. Dazu gehören beispielsweise Nagetiere, welche auf Neuseeland und anderen Inseln einheimische Tierarten jagen. Bisher werden diese eingeschleppten Raubtiere vor allem mit Fallen und Gift oder durch Jagd bekämpft.

Ausgestorbene Arten rekonstruieren

Schliesslich gibt es auch Forschungsvorhaben mit dem Ziel, bereits ausgestorbene Arten zu rekonstruieren. Zu den vermutlich bekanntesten Beispielen für solche Versuche gehören die Wandertaube, eine ausgestorbenen nordamerikanische Taubenart, und der Burcado, eine Ziegenart aus den Pyrenäen. Andere Forschende wollen für eine ausgestorbene Art eine sogenannte „Stellvertreterart“ schaffen, welche die verloren gegangene ökologische Funktion übernimmt. Dazu gehört der prominente Versuch, eine neue Elefantenart zu kreieren, die Eigenschaften des Wollmammuts aufweist und somit dessen früheren Lebensraum einnehmen soll.

Forschung und Diskussionen erst am Anfang

Die Forschung und Diskussionen um den Einsatz moderner Gentechnologien im Umweltschutz stehen ganz am Anfang. Bei den meisten hier skizzierten Ansätzen handelt es sich im Moment um theoretische Überlegungen und Konzepte. Die technischen Hürden sind momentan noch sehr hoch, besonders für die Gene Drive-Technik oder die Rekonstruktion ausgestorbener Arten.
Zudem ist ein grosses Wissen über die gefährdete oder ausgestorbene Art notwendig. Dazu gehören etwa detaillierte Kenntnisse des Erbguts: der verschiedenen Gene und ihren Funktionen, ihren Variationen und ihrem Zusammenspiel miteinander und mit der Umwelt. Weiter braucht es auch Wissen über den Lebensraum der Zielart und über ihre ökologischen Wechselwirkungen mit anderen Lebensformen und der Umwelt.

Bevor eine genetische Veränderung an einer freilebenden Art vorgenommen werden könnte, müssten zudem die möglichen positiven und negativen Auswirkungen abgeschätzt werden, etwa:

  • Wie wird sich die genetische Veränderung in der Population oder Art im Lauf der Zeit entwickeln?
  • Kann sie auf andere Arten auskreuzen?
  • Welche Konsequenzen hat die Veränderung für andere Lebensformen und das Ökosystem?
  • Wie gross sind die erwarteten Nutzen und Risiken im Vergleich zu anderen Ansätzen oder gar zum Aussterben der Art?

Der Einsatz der Synthetischen Biologie im Artenschutz wirft auch ethische und gesellschaftliche Fragen auf, etwa:

  • Was bedeuten diese neuen Möglichkeiten für unser Naturverständnis?
  • Was wollen wir im Naturschutz genau schützen?
  • Sollen wir die Natur möglichst sich selber überlassen oder sie gestalten, auch indem wir das Erbgut einzelner Arten nach unserem Design verändern?

Um diese Herausforderungen anzugehen, erscheint eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen Fachpersonen aus der Synthetischen Biologie und der Umwelt- und Biodiversitätsforschung als besonders wichtig. Bereits 2013 schrieben eine Wissenschaftlerin und zwei Wissenschaftler dazu: „Die Diskussion zwischen Naturschutz und synthetischer Biologie muss geführt werden. Sie sollte weder auf alarmistischen noch triumphalen Positionen beruhen. Sondern man muss sorgfältig untersuchen, welche Regeln, Kontrollmechanismen und öffentliche Aufklärung notwendig sind, um über die enorme Macht, das Leben auf der Erde zu verändern, zu entscheiden." (Redford et al., 2013, PLOS Biology; übersetzt)

Dezember 2018

Referenzen und weiterführende Informationen

  • Deplazes et al. (2020) Gene Drives: Nutzen, Risiken und mögliche Anwendungen. Swiss Academies Factsheets 15 (4) Link
  • Themenportal "Biodiversität erklärt", Forum Biodiversität, Akademien der Naturwissenschaften Schweiz Link
  • Redford et al. (2013) Synthetic biology and conservation of nature: wicked problems and wicked solutions Link
  • Thomas et al. (2013) Gene tweaking for conservation. Link
  • Piaggo et al. (2017) Is it time for synthetic biodiversity conservation? Link
  • Novak et al. (2018) Advancing a new toolkit for conservation: from science to policy. Link
  • Johnson et al. (2015) Is there a future for genome-editing technologies in conservation? Link
  • Taylor and Gemmell (2016) Emerging technologies to conserve biodiversity: further opportunities via genomics. Response to Pimm et al. Link
  • Revive & Restore. Woolly mammoth revival. Project website. Link
  • Die Wandertaube und der Burcado sind zwei der ausgestorbenen Arten, die mit Hilfe der Synthetischen Biologie zurück gebracht werden sollen.
  • Eine der spektakulärsten Anwendungen der Synthetischen Biologie ist die geplante Rekonstruktion des Wollhaarmammuts. Mithilfe der Genomeditierung möchten Forschende in Elefantenzellen einzelne ausgewählte Elefantengene mit Mammutgenen überschreiben. Dazu gehören etwa Gene für Haarwuchs oder Fettproduktion. Wenn die Zellen genügend Mammuteigenschaften aufweisen, sollen sie so zuerst zu Embryonen und dann zu lebensfähigen Tieren weiterentwickelt werden.
  • Kleidervögel kommen nur auf Hawaii vor, viele Arten sind vom Aussterben bedroht. Die Vogelmalaria, eine von der Stechmücke Culex quinquefasciatus übertragene Krankheit, trägt zur Gefährdung dieser seltenen Arten bei. Ein möglicher Ansatz besteht darin, Culex quinquefasciatus mit Hilfe von Gene Drives zu bekämpfen, so wie es auch für die menschliche Malaria diskutiert wird.
  • Die Wandertaube und der Burcado sind zwei der ausgestorbenen Arten, die mit Hilfe der Synthetischen Biologie zurück gebracht werden sollen.Bild: adaptiert von Thomas Gilbert Pearson (links) und Richard Lydekker (rechts)1/3
  • Eine der spektakulärsten Anwendungen der Synthetischen Biologie ist die geplante Rekonstruktion des Wollhaarmammuts. Mithilfe der Genomeditierung möchten Forschende in Elefantenzellen einzelne ausgewählte Elefantengene mit Mammutgenen überschreiben. Dazu gehören etwa Gene für Haarwuchs oder Fettproduktion. Wenn die Zellen genügend Mammuteigenschaften aufweisen, sollen sie so zuerst zu Embryonen und dann zu lebensfähigen Tieren weiterentwickelt werden.Bild: Flying Puffin (flickr)2/3
  • Kleidervögel kommen nur auf Hawaii vor, viele Arten sind vom Aussterben bedroht. Die Vogelmalaria, eine von der Stechmücke Culex quinquefasciatus übertragene Krankheit, trägt zur Gefährdung dieser seltenen Arten bei. Ein möglicher Ansatz besteht darin, Culex quinquefasciatus mit Hilfe von Gene Drives zu bekämpfen, so wie es auch für die menschliche Malaria diskutiert wird.Bild: Walter Rothschild (Wikimedia Commons)3/3

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