Was ist Synthetische Biologie?

Synthetische Biologie zielt darauf ab, im Labor biologische Systeme zu entwerfen, nachzubauen oder zu verändern. Dazu versucht sie, standardisierte Komponenten zu entwickeln, die sich gut kontrollierbar zu neuartigen Einheiten zusammenfügen lassen. Die Synthetische Biologie steht damit für eine Fachrichtung der Life Sciences, die Ingenieursprinzipien anwendet, um gezielt aus biologischen Materialien Systeme zu konstruieren und damit Produkte herzustellen, die für die Gesellschaft nützlich sind. Das mögliche Anwendungsspektrum der Synthetischen Biologie ist breit und umfasst etwa die Herstellung von Arzneimitteln in Zellkulturen, die Entwicklung neuartiger Baumaterialien oder die Treibstoffproduktion in Algen. Die synthetische Biologie hat aber auch früh Fragen zur biologischen Sicherheit aufgeworfen - sowohl zum Schutz vor unbeabsichtigten Schäden als auch dem beabsichtigten Missbrauch. International wird darüber diskutiert, ob die heutigen Regulierungen und Sicherheitsmassnahmen auch für die Synthetische Biologie ausreichen oder ergänzt werden müssen.

Bakterienkolonie von Klebsiella pneumoniae wächst auf Nährmedium
Bild: Centers for Disease Control and Prevention

Unter den Begriff «Synthetische Biologie» fallen verschiedene Ansätze, die das Ziel verfolgen, planvoll und kontrolliert neuartige biologische Systeme oder Komponenten davon zu erschaffen. Synthetische Biologie verbindet Methoden aus dem Bereich der Life Sciences mit Konstruktionsprinzipien aus dem Ingenieurwesen.

Standardisierte Bauteile und synthetische Zellen

Die synthetische Biologie umfasst Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit unterschiedlichen Ansätzen. Dazu gehören:

  • Bioengineering
    Ziel ist es, die Biologie zu einer richtigen Ingenieursdisziplin zu machen: Man arbeitet mit standardisierten Bausteinen und kann diese zu komplexeren Systemen zusammenbauen. Diese Bausteine sind genetische Elemente, auch "Biobricks" genannt, die nach einem Grundmodell konzipiert und dadurch frei kombinierbar sind.
  • Synthetische Genomik
    In diesem Ansatz geht es darum, ein gesamtes Erbgut zu synthetisieren, d.h. künstlich im Labor herzustellen. Ein Ziel der synthetischen Genomik ist es, Genome zu minimieren und unnötige Sequenzen zu entfernen. Diese vereinfachten Genome liessen sich einfacher mit gewünschten Genen und anderen DNA-Sequenzen erweitern.
  • Xenobiologie
    Forschende der Xenobiologie haben sich das Ziel gesetzt, Organismen herzustellen, die ein anderes genetisches System haben als natürliche Lebewesen. Manche Forschende versuchen, neue Formen von Nukleinsäuren als Alternativen zu RNA und DNA zu entwickeln (man spricht von XNA für „xeno nucleic acid“). Andere bleiben bei den herkömmlichen Nukleinsäuren, wollen aber einen neuen genetischen Code entwerfen.
  • Protozellen
    Forschende, die diesen Ansatz verfolgen, wollen aus Molekülen lebende Zellen herstellen. Das wären natürlich sehr simple Zellen. Man erhofft sich, daraus zu lernen, wie aus nicht-lebender Materie das Leben auf der Erde entstehen konnte.

Die Synthetische Biologie ist eine Fortsetzung der Gentechnik. Der Übergang ist fliessend, doch geht die Synthetische Biologie weiter als die Gentechnik und spielt sich auf einem höheren Komplexitätsniveau ab. So nutzt sie IT-Plattformen, die die Errungenschaften der Gentechnik einbeziehen, und extrem leistungsfähige Computersysteme, um biologische Bauteile zu planen und zu entwerfen. Diese fügt sie dann zu funktionalen Systemen zusammen, die in der Natur nicht vorkommen, oder nutzt sie, um in natürlich vorkommenden Organismen neue Stoffwechselpfade zu entwickeln. Die Standardisierung von biologischen Bauteilen, die in einem Katalog aufgelistet sind und einzeln bestellt werden können, ist ein Ansatz, welcher der Synthetischen Biologie eigen ist.

Ziele und Anwendungsmöglichkeiten

Die Synthetische Biologie will zum einen die Voraussetzungen für die effiziente Herstellung von Produkten schaffen, die für die Gesellschaft nützlich sind – etwa neuartige therapeutische Substanzen oder Treibstoff. Zum andern soll die Synthetische Biologie zu einem besseren Verständnis grundlegender Prozesse des Lebens beitragen.

Die Synthetische Biologie verfügt über das Potenzial, viele wichtige Wirtschaftszweige und Lebensbereiche zu verändern. Zu den Anwendungsmöglichkeiten gehören:

  • Medizin
    Das Potential der synthetischen Biologie in der Medizin umfasst u.a. die Produktion von Arznei- und Impfstoffen sowie Gewebebestandteilen in Zellkulturen, massgeschneiderte verdauungsfördernde Bakterien, verfeinerten Diagnosemethoden und spezifische Gentherapien.
  • Energie
    Mithilfe der Synthetischen Biologie sollen alternative Energiequellen zu fossilen Brennstoffen geschaffen werden. Dazu gehört zum Beispiel die Produktion von Ethanol oder Wasserstoff in Bakterien oder Algen.
  • Wertvolle Moleküle
    Nebst Arzneimitteln könnten auch viele weitere wertvolle Moleküle mit Hilfe der synthetischen Biologie hergestellt werden, z.B. für Kosmetika oder Nahrungsmittel.
  • Neuartige Materialien
    Die synthetische Biologie könnte zur Entwicklung neuartiger Materialen führen z.B. für Schutzkleidung oder Gebäudehüllen. Diese Materialen könnten etwa in der Lage sein, Umweltveränderungen wahrzunehmen und darauf zu reagieren.
  • Bioremediation
    Massgeschneiderte Mikroorganismen sollen Umweltverschmutzungen erkennen und beseitigen.

Risiken und Sicherheitsmassnahmen

Gewisse mithilfe der synthetischen Biologie hergestellte Organismen könnten unerwünschte Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben. Forschung und Anwendungen müssen deshalb von einer Risikoabschätzung und geeigneten Sicherheitsmassnahmen begleitet werden.

Die Synthetische Biologie hat schon früh Fragen der biologischen Sicherheit aufgeworfen. Diese umfassen sowohl den Schutz vor unbeabsichtigten Schäden (Biosafety) als auch den Schutz vor absichtlichem Missbrauch (Biosecurity).

Die Synthetische Biologie vermag biologische Systeme stärker umzugestalten als die Gentechnik. Es können Organismen entstehen, die nur noch wenig mit bekannten Lebensformen zu tun haben.Bei neuartigen Lebensformen ist es schwieriger vorauszusagen, wie sie sich im menschlichen Körper oder in der Umwelt verhalten werden, da eine Vergleichsbasis fehlt. Die Diskussion um die Risiken von Synthetischer Biologie konzentriert sich deshalb stark auf die Frage, ob die heutigen Regulierungen und Sicherheitsmassnahmen ausreichen oder ob es neue Verfahren zur Risikoanalyse und zum Risikomanagement braucht. Mit dieser Frage beschäftigen sich auf internationaler Ebene etwa die Mitgliedsstaaten der Biodiversitätskonvention.

Dabei gilt es zu beachten, dass die Synthetische Biologie auch mehr Sicherheit bringen kann. So sollte etwa die detaillierte Kenntnis der Sequenzen, die aus einer Datenbank gezielt ausgewählt werden, zu weniger unvorhergesehenen Effekten führen als wenn die Veränderung zufällig geschieht. Auch die xenobiologischen Systeme böten einen Schutz: würden ihre genetischen Elemente durch Kreuzung oder Viren oder andere Träger auf natürliche Organismen übertragen, wären sie nicht funktionsfähig. Allgemein gilt es festzuhalten, dass die Synthetische Biologie ein sehr breites Spektrum von Ansätzen und Anwendungen umfasst. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die gesetzlichen Regelungen den Risiken der einzelnen Tätigkeiten angepasst sind.

Oktober 2020
Review: Alexander Schanne, President Synthetic Biology UZH, iGEM 2019 alumni (Link)

Weiterführende Informationen

  • Webportal Synthetische Biologie Max-Planck-Gesellschaft Link
  • Online-Kurs «Synthetic Biology» von EMBO/EMBL Link
  • Synthetische Biologie - eine neue Stufe der Bio- und Gentechnologie (2015) Bericht des Deutschen Büros für Technologiefolgen-Abschätzung beim Bundestag (TAB) Link
  • Portal on Synthetic Biology of the Convention for Biological Diversity (CBD) Link
  • Deplazes A (2009) Piecing together a puzzle. An exposition of synthetic biology. EMBO reports 10: 428-432. Link
  • El Karoui et al. (2019) Future trends in synthetic biology - a report. Front Bioeng Biotechnol. 7: 175. Link
  • Akademien der Wissenschaften Schweiz (2017) Missbrauchspotenzial und Biosecurity in der biologischen Forschung. Eine Diskussionsgrundlage zur Frage des Umgangs mit dem Dual Use-Dilemma in der wissenschaftlichen Praxis. Swiss Academies Report, Vol 12, No. 3. Link
  • Bioengineering: Ähnlich wie bei einem Computer sollen im Bioengineering-Ansatz die einzelnen biologischen Bauteile nach einer hierarchischen Struktur zusammengebaut werden.
  • Xenobiologie: Einige Beispiele von XNAs – neuen Formen von Nukleinsäuren als Alternativen zur DNA. Häufig wird dabei die Desoxyribose durch ein anderes Zuckermolekül ersetzt.
  • Protozellen: Aus nicht-lebendem Material, insbesondere DNA und Lipiden, sollen dereinst lebende Zellen im Labor hergestellt werden können.
  • Medizinische Anwendung: Mit Hilfe der Synthetischen Biologie veränderte Zellen – zukünftig eine mögliche Therapie für Diabetes.
  • Biosensoren: Nachweis von Arsen im Trinkwasser.
  • Bioengineering: Ähnlich wie bei einem Computer sollen im Bioengineering-Ansatz die einzelnen biologischen Bauteile nach einer hierarchischen Struktur zusammengebaut werden.Bild: Andrianantoandro et al, 2006, Mol Syst Biol.2 :2006.00281/5
  • Xenobiologie: Einige Beispiele von XNAs – neuen Formen von Nukleinsäuren als Alternativen zur DNA. Häufig wird dabei die Desoxyribose durch ein anderes Zuckermolekül ersetzt.Bild: Franziska Oeschger, Forum Genforschung2/5
  • Protozellen: Aus nicht-lebendem Material, insbesondere DNA und Lipiden, sollen dereinst lebende Zellen im Labor hergestellt werden können.Bild: F. Oeschger, Forum Genforschung3/5
  • Medizinische Anwendung: Mit Hilfe der Synthetischen Biologie veränderte Zellen – zukünftig eine mögliche Therapie für Diabetes.Bild: Franziska Oeschger, Forum Genforschung4/5
  • Biosensoren: Nachweis von Arsen im Trinkwasser.5/5

Kategorien

  • Synthetische Biologie
Deutsch, Französisch