Schöpfung zwei
Die Bioindustrie produziert ganze Lebewesen von Dorothée Benoit-Browaeys
Am 20. Mai 2010 gab der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter bekannt, sein Team habe im Labor eine bakterielle Zelle mit einem implantierten, fremden Genom hergestellt. Prompt wurde die Frage laut, ob in absehbarer Zeit Lebewesen industriell produziert werden können. Schon heute bietet die synthetische Biologie viele Bauteile an, mit denen sich Viren, Bakterien oder Hefen herstellen lassen – womöglich rollt jetzt eine ganze Welle künstlich erzeugter Organismen auf uns zu.
„Wir brauchen Sie! Mit den Möglichkeiten, die in Ihren Werkzeugen stecken, ist eine große Verantwortung verbunden.“ So spricht der FBI-Agent Ed You die Studenten aus aller Welt an, die zum internationalen Wettbewerb der synthetischen Biologie (International Genetically Engineered Machine competition, iGEM) gekommen sind. Wir befinden uns in Boston am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Ende Oktober 2009. Das FBI, das die Veranstaltung mit organisiert hat, will den jungen Teilnehmern eine Botschaft übermitteln: Ihr Know-how ist nötig, um den Bioterrorismus in Schach zu halten! Piers Millett vom Büro zur Implementierung der Biowaffenkonvention der Vereinten Nationen in Genf schlägt einen Verhaltenskodex vor, „für bessere Sicherheit, die mehr Spaß erlaubt“. Denn die spielerische Erforschung ist seit jeher der Motor dieses jährlichen Treffens.
Das Prinzip ist einfach: Jedes der 112 Kandidatenteams des sechsten iGEM stellt seine Bakterienbastelei vor. Die 1 700 Studierenden haben Gene isoliert, übertragen und wieder zusammengefügt, um ein Medikament herzustellen, Gerüche, ein blinkendes Licht zu erzeugen oder Arsen aufzuspüren.
In dieser Großküche des Lebens werden innerhalb von zwei Tagen pausenlos Rezepte vorgestellt, diskutiert, kritisiert und verbessert. Die Mitwirkenden tragen wie beim Fußball die Farben ihres Teams, sprechen mal einen indischen Konkurrenten an, mal antworten sie auf die ethischen Fragen der Jurymitglieder. Es ist ein großes intellektuelles Abenteuer, mit einer Abschlussparty im Bostoner Vergnügungszentrum Jillian’s, bei der die Gesichter der Teilnehmer zwischen Billard, Bowling und Tanzflächen im Loop auf zwei Ebenen projiziert werden.
Die einzige Regel in diesem Spiel: Alle tragen etwas zum großen gemeinsamen Topf bei, jeder stellt seine Ergebnisse in der Sammlung der BioBricks1 zur allgemeinen Verfügung. DNA-Stücke, die Schlüsselfunktionen steuern (siehe Glossar), werden Open-Source-Wissen. „Wir haben heute schon ungefähr 5 000 beisammen“, freut sich Randy Rettberg, Ingenieur für künstliche Intelligenz und einer der Initiatoren des Wettbewerbs. Er öffnet den Gefrierschrank, in dem die von der BioBricks Foundation gehüteten Abschnitte synthetischer Gene aufbewahrt werden. „Das Ziel ist, dass wir eines Tages über eine Vielzahl genetischer Legosteine verfügen“, erklärt Tom Knight, der ebenfalls von der Informatik (Software) zur Programmierung des Lebendigen (Wetware) übergewechselt ist.
Mit den BioBricks hat das MIT ein Standardmodell für den Austausch geschaffen, ähnlich wie der Quellcode in der Informatik oder die gedruckten Leiterplatten in der Elektronik. Trotzdem deckt sich die Forschergemeinde nicht beim MIT ein. „Der iGEM-Wettbewerb ist ein Vergnügen für junge Leute“, meint Victor de Lorenzo, Koordinator des Programms Synthetische Biotechnologie am Biotech-Zentrum von Madrid. „Aber keine dieser Arbeiten kann veröffentlicht werden, weil die Machbarkeitsnachweise meist nicht ausreichen. Und die Wissenschaftler nutzen doch lieber die eigenen, in ihrem Labor hergestellten Gensequenzen.“
Wir stehen an einem Wendepunkt in der Geschichte der Genetik. Im Jahr 1953 veröffentlichten Francis Crick und James Watson in der Zeitschrift Nature ihr räumliches Modell der Doppelhelix, der Trägerin der Erbinformation. Ein halbes Jahrhundert später hat die Menschheit eine beeindruckende Fülle an Informationen über die molekulare Zusammensetzung des Lebendigen angesammelt.
Die synthetische Biologie geht allerdings weit über das perfektionierte Beobachten der molekularbiologischen Prozesse hinaus. Frei nach dem Diktum des großen US-Physikers Richard Feynman „Man kennt nur das, was man herstellt“ arbeiten in weltweit über 10 000 Labors Biologen, Chemiker und Ingenieure gemeinsam daran, biologische Systeme herzustellen, die in der Natur nicht vorkommen. Möglich wurde das erst, seit sich kodierende DNA-Sequenzen schnell und preiswert – für 35 Cent pro Basenpaar – synthetisieren lassen und die Informatik in der Lage ist, lebendige Systeme auseinanderzunehmen und neu zu entwerfen.
Die synthetische Biologie ist keine einfache Weiterentwicklung der Molekularbiologie, die am Anfang der genetisch veränderten Organismen (GVO) stand. Diese „Ingenieure des Lebens“ setzen ihren Ehrgeiz darein, biologische Systeme nach Designprinzipien mit Standard- und Optimierungsmodulen zu programmieren. Den minimalen Basisorganismus, auf den sie bestimmte Funktionen oder Schaltkreise aufbringen, bezeichnen die Forscher allgemein als „Chassis“. Sie wollen ganz neue Genome bauen. Um Verwechslungen mit der bislang üblichen Biologie auszuschließen, fordern manche Leute schon, „dass sich diese biologischen Schöpfungen von den bekannten Organismen deutlich unterscheiden“2 sollten. So könnte man zum Beispiel ein anderes Basenalphabet als ATGC (siehe Glossar auf Seite 13) verwenden.
Jenseits von Genmanipulation und genetisch veränderten Organismen geht es darum, vollständige künstliche Genome zu bauen und gentechnisch erzeugte Organismen (genetically engineered organisms, GEO) herzustellen. Das Ziel ist in der Tat die „Industrialisierung der Biologie“, betont Richard Kitney, Leiter des Zentrums für biologische und medizinische Systeme am Imperial College London.
Dieser Sektor kann sich derzeit kaum retten vor Investoren. Schließlich wird er von den neuen hochspekulativen Märkte befeuert: Das Energieproblem wäre gelöst, wenn künstliche Mikroorganismen auf klimaschonende Weise große Mengen Treibstoff produzieren könnten; die Pharmabranche träumt von maßgeschneiderten Bakterien, die Medikamente produzieren; und die Biochemie ganz allgemein experimentiert mit der Synthese komplexer Moleküle oder biologischer Gewebe, mit DNA-Wächtern, die fremde Zellen erkennen, oder Organismen, die Umweltschäden beseitigen können. Diese Anwendungsgebiete entsprechen im Übrigen auch den Bewertungskriterien beim iGEM, ein Beleg dafür, dass die Grenzen zwischen Wissenschaft und Markt in der Biotechnologie fließend sind.
Craig Venter, dem Entzifferer des menschlichen Genoms, ist es nun gelungen, durch das Zusammenfügen und Vermehren nachgebildeter Gensequenzen des Bakteriums Mycoplasma mycoides (dem Erreger der Rinder-Lungenseuche) ein komplettes „künstliches“ Chromosom zu erzeugen und es in ein anderes Bakterium (Mycoplasma capricolum, den entsprechenden Erreger bei Ziegen) zu injizieren, aus dem das eigene Genom zuvor entfernt worden war. Die derart neu geschaffene Zelle funktionierte, vermehrte sich und bildete Kolonien.
Das kräftige Wachstum des neuen Forschungszweigs illustrierte die Zeitschrift Nature Biotechnology, indem sie zwanzig Experten bat, den Begriff „synthetische Biologie“ zu definieren, und ihre unterschiedlichen Antworten veröffentlichte.3 In der neuen Disziplin gibt es drei konkurrierende Methoden, die Biotechnologie auf verschiedenen Ebenen betreiben. Bei der ersten geht es um genetische Bauteile, bei der zweiten um das gesamte Genom und bei der dritten um die Zellwände.4
In die erste Kategorie fallen die Montageverfahren (bottom-up, von unten nach oben). Ihr führender Kopf, Drew Endy, vertritt die Idee eines molekularen Lego-Baukastens. Forscher wie Tim Gardner, Jim Collins oder Stanislas Leibler (von der Technischen Universität Caltech im kalifornischen Pasadena) haben Mikroorganismen in steuerbare Systeme verwandelt und damit schon im Jahr 2000 bewiesen, dass man Standardmodule mit programmierbarem Verhalten kreieren kann.
Wenn bipolare Säuren eine Kugel bilden
Die zweite Methode ist ein Reduktionsverfahren (top-down, von oben nach unten). Hier geht es darum, das „minimal lebensfähige Genom“ zu schaffen, eine Art Chassis, auf das man – in den gegebenen Grenzen – jedes beliebige funktionale Modul übertragen kann. Einem von Venters Forscherteams ist es gelungen, das Genom des Bakteriums E. coli um 15 Prozent zu reduzieren, indem man die nicht kodierenden Teile des Gens entfernte. Der 1978 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnete Hamilton Smith erklärte im Januar 2008, er habe das gesamte Chromosom des Bakteriums Mycoplasma genitalium (von 517 auf 386 Gene reduziert) synthetisch hergestellt. Der Funktionsbeweis, bei dem das Chromosom in ein zuvor vom eigenen Erbmaterial befreites Bakterium eingeführt würde, steht jedoch noch aus.
Die dritte Methode kehrt zu den Arbeiten über den Ursprung des Lebens zurück. Sie konzentriert sich auf die Fähigkeit zur Selbstassemblierung von Molekülen, die man in den Zellmembranen nachweisen kann. Der Molekularbiologe Jack W. Szostak5 von der Harvard Medical School versucht auf diese Weise, sogenannte Protozellen zu erzeugen. Szostak, der 2009 den Medizinnobelpreis erhielt, hat bewiesen, dass bipolare Fettsäuren (deren hydrophiles (wassersuchendes) Ende sich an Wassermoleküle bindet, während das hydrophobe Ende sie abstößt) sich verbinden und in Reaktion mit Wasser eine Kugel bilden können.6 Szostak schließt daraus: „Es gibt viele Möglichkeiten, um die Selbstorganisationsfähigkeiten hervorzurufen; die Replikation, die wir erhalten, läuft noch nicht ganz autonom ab, aber wir waren noch nie so nah dran, Moleküle in lebende Organismen umzuwandeln.“
Diese Versuche erinnern an die Forschungen zur Morphogenese (Entstehung der Formen), die der 1939 verstorbene französische Mediziner Stéphane Leduc vor einem Jahrhundert unternahm – indem er in chemischen Gärten Formen, Farben, Texturen und Bewegungen lebender Organismen nachahmte. In seinem Buch „La biologie synthétique“ (Die synthetische Biologie, 1912) entwickelte Leduc, ausgehend von seinen materialistischen und antivitalistischen Überzeugungen, eine ambitionierte physikalisch-chemische Theorie des Lebens. Bereits 1978, nach der genetischen Revolution, sagte der polnische Genetiker Waclaw Szybalski die synthetische Biologie voraus: „Bis jetzt arbeiten wir an der deskriptiven Phase der Molekularbiologie. [...] Aber die wahre Herausforderung wird mit der Forschungsphase der synthetischen Biologie beginnen. Wir werden dann neue Steuerelemente erfinden und diese neuen Module den bestehenden Genomen hinzufügen oder völlig neue Genome bauen. Das wäre ein Feld mit unendlichem Potenzial. Den Möglichkeiten, neue und verbesserte Schaltkreise und [...] schließlich andere synthetische Organismen zu bauen, wären dann kaum noch Grenzen gesetzt.“7
Man versteht die Begeisterung, mit der Drew Endy erklärt, „mit DNA zu programmieren ist viel cooler, attraktiver und folgenreicher als mit Silicium“. Er sagt aber auch: „Die Fragen, die die synthetische Biologie aufwirft, gehören zu den schwierigsten überhaupt. Schrecklich wie die Hölle!“8
Die Risiken einer zufälligen oder absichtlichen Verbreitung solcher künstlichen Organismen wecken Ängste. Manche Biologen sprechen sich dafür aus, als Träger der Erbinformation „Xenonukleinsäuren“ zu verwenden, die den heutigen Lebensformen fremd und nicht mit ihnen kompatibel sind. Doch selbst wenn es gelänge, jede biologische Kreuzung zu verhindern, könnten irgendwann die synthetischen Organismen mit den natürlichen um Nahrung konkurrieren. Deshalb sollte der Organismus, der als Chassis dient, so gebaut sein, dass er nur von selten oder gar nicht in der Natur vorkommenden Substanzen lebt, wie etwa Fluor oder Silicium.
Andere Befürchtungen gelten dem fantastischen Arsenal neuer Waffengattungen. Im Guardian vom 14. Juni 2006 berichtete James Randerson, er habe ein Stück von der DNA des Pockenvirus bei einer privaten Firma bestellen können. Dass Bio-Hacker sich DNA-Sequenzen per Internet besorgen können, bezeugt ebenfalls die Risiken des freien Austauschs von Genbasteleien.
Während US-Labors die Genome gefährlicher Viren wie Polio und Spanische Grippe synthetisch erzeugen konnten, ist von irgendwelchen Schutzvorkehrungen kaum die Rede. Beispielhaft verhält sich Blue Heron Biotechnology: Die US-Firma nimmt keinerlei gefährliche Bestellungen an. Mithilfe einer Software tastet sie Gensequenzen auf eine mögliche bioterroristische Bedrohung ab und weist die entsprechende Anfrage zurück – so verantwortungsvoll agieren nur knapp ein Drittel der Firmen.
Der Friedensforscher Alexander Kelle von der University of Bradford9 zeigt sich beunruhigt darüber, dass die Zunft der synthetischen Biologen die möglichen militärischen Anwendungen alles andere als realistisch einschätzt. Inzwischen hat eine Gruppe von Wissenschaftlern und Vertretern von US-Regierung und Industrie vorgeschlagen, die Herstellung von DNA-Sequenzen zu kontrollieren.10 Einige fordern ein Gesetz, das alle Hersteller synthetischer Genome zu verstärkter Kontrolle verpflichtet.11
Obwohl die GVO-Vorschriften im Prinzip auch für synthetische Zellen gelten, wird auf die Möglichkeit, dass diese sich selbst verbreiten könnten, nicht eingegangen.12 Auch gibt es international heftigen Streit über die Frage, wie ein GVO definiert ist. Gewisse Gruppen wollen die künstlichen Organismen nämlich unter keinen Umständen als GVO bezeichnet wissen – damit bräuchten sie sich an die betreffenden gesetzlichen Einschränkungen nicht zu halten.
Die größte Gefahr, die von der synthetischen Biologie ausgeht, besteht vermutlich darin, dass landwirtschaftliche Rohstoffe vermehrt für die Energiegewinnung und für die chemisch-pharmazeutische Industrie genutzt werden – auf Kosten der Nahrungsproduktion für die Menschen.
DNA & Co.
DNA: Die Desoxyribonukleinsäure, ein langes Molekül aus zwei Strängen, die in einer Doppelhelix ineinander verschraubt sind, ist der Träger der genetischen Information.
Gene: Die Gene sind die Worte, aus denen die DNA-Sequenzen bestehen. Wenn sich ein Ribosom, die chemische Fabrik der Zelle, an ein Gen anlagert, produziert es ein Proteinmolekül, dessen Form und chemische Zusammensetzung von der Buchstabenfolge des jeweiligen Gens bestimmt wird.
Nukleinbasen: Die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (abgekürzt A, T, G und C) sind die vier Buchstaben des genetischen Alphabets. Sie liegen abwechselnd entlang eines DNA-Strangs und formen so eine Sequenz. Man spricht häufig von Basenpaaren, die die beiden Stränge der Doppelhelix miteinander verbinden (A und T beziehungsweise G und C).
Bakterium: Prokaryotische Zelle (ohne Zellkern). In den Labors der synthetischen Biologen wird am häufigsten das Darmbakterium E. coli verwandt, das sich unter optimalen Bedingungen alle 20 Minuten durch Zellteilung vermehrt.
Chassis: Minimalorganismus, dessen einzige Eigenschaft seine Reproduktionsfähigkeit ist. Die Bio-Ingenieure wollen einzelne Gene auf diesen Träger aufbringen, die dem so entstandenen Organismus eine bestimmte Funktion zuweisen.
BioBricks: Das Projekt dreier US-Universitäten ermuntert Studierende, die an neuen Organismen basteln, ihre Ergebnisse miteinander zu teilen. Der Austausch funktioniert nach ähnlichen juristischen Prinzipien wie in der Informatik (open source): Jeder behält sein Urheberrecht, aber überträgt jedem anderen das Recht, seine Bausteine zu nutzen, zu verändern und erneut in Umlauf zu bringen.
Molekularbiologie: Die Lebenswissenschaften beschäftigen sich mit der chemischen Funktion einer Zelle ebenso wie mit der Physiologie eines Organs. Molekularbiologen interessieren sich für die kleinsten Einheiten des Lebens: Moleküle, DNA und Proteine.
Synthetische Biologie: Diese Disziplin im Grenzbereich von Molekularbiologie, organischer Chemie, Ingenieurwissenschaften, Nanobiotechnologie und Informationstechnik will das Lebendige nicht nur beobachten, sondern selbst neue Lebensformen kreieren.
Vererbung und Selektion: Proteine sind die notwendigen Bausteine des Lebens, deren unerlässliche Voraussetzung wiederum die Gene sind. Ein verändertes Gen (Mutation) kann ein verändertes Protein erzeugen und damit die Überlebenschancen eines Individuums beeinflussen. Wenn die Mutation dysfunktional ist, ist das Trägerindividuum nicht lebensfähig; wenn sie ihm dagegen einen Vorteil verschafft, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie sich innerhalb der Population vermehrt, da das jeweilige Individuum im Schnitt mehr Kinder haben wird als die übrigen. Das ist der Mechanismus der natürlichen Selektion.
