Was ist Synthetische Biologie?

Die Synthetische Biologie ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das die Bereiche Technik und Biologie verbindet, um künstliche biologische Systeme zu entwerfen, zu bauen und zu testen. Ziel ist es, diese mit mechanischer Präzision zu konstruieren, ähnlich wie in traditionellen Ingenieurdisziplinen wie dem Maschinenbau oder der Elektrotechnik. Technische Prinzipien wie Standardisierung, Entkopplung und Abstraktion ermöglichen die Konstruktion biologischer Systeme mit neuen, in der Natur nicht vorkommenden Funktionen.

Warum Synthetische Biologie?

Die Synthetische Biologie unterscheidet sich von der Elektrotechnik und dem Maschinenbau in Bezug auf die Probleme, die von den verschiedenen Ingenieurdisziplinen gelöst werden können. Die Synthetische Biologie wird weder Smartphones noch das Internet oder Elektroautos revolutionieren. Aber die Energie-, Gesundheits-, Umwelt-, Landwirtschafts-, Lebensmittel- und Biosicherheitssektoren können stark von der Synthetischen Biologie profitieren.

In den 1970er Jahren erforschten Wissenschaftler*innen bereits biologische Systeme und waren in der Lage, DNA und Gene auf molekularer Ebene zu manipulieren. Die Idee, biologische Systeme zu programmieren, wurde jedoch erst durch die Veröffentlichung eines biologischen Schaltkreises (1-Bit-Speicher), eines künstlichen biologischen Oszillators und eines künstlichen Zell-Zell-Kommunikationssystems in Bakterien bahnbrechend. Die neue Denkweise, die zu diesen Veröffentlichungen führte, erforderte weitaus mehr Raffinesse und Kontrolle als die Unterdrückung oder Einführung einzelner Gene. Die Einführung von Konzepten aus der Elektrotechnik in biologische Systeme ließ die Idee aufkommen, Organismen wie Computer zu programmieren.

Kurz darauf fand 2004 der erste iGEM-Wettbewerb statt, bei dem Studierende um die Schaffung synthetischer biologischer Systeme konkurrierten. Heute nehmen jährlich über 300 Universitäts- und High-School-Teams am iGEM-Wettbewerb teil, der für viele Teilnehmer*innen die erste Begegnung mit dem Fachgebiet ist. 

Im Jahr 2006 zeigte die Herstellung von Artemisinin mit gentechnisch veränderten Hefen, dass sich die Synthetische Biologie auch auf die kommerzielle Welt auswirken kann.

Im Jahr 2008 wurde das erste vollständige bakterielle Genom künstlich synthetisiert, und später wurde sogar nachgewiesen, dass das synthetische Genom in lebenden Bakterien funktionsfähig war.

Die Fortschritte bei der DNA-Synthese, dem Zusammenbau neuer genetischer Elemente und der Sequenzierung von Nukleinsäuren ermöglichen es den Forscher*innen, immer komplexere Systeme zu immer geringeren Kosten zu bauen. Forscher*innen sind heute in der Lage, hunderttausende von Basenpaaren zu einem vergleichsweise niedrigen Preis zu synthetisieren, was den Entwurf komplexer biologischer Systeme, wie z. B. metabolische Schaltkreise ermöglicht. Die Fähigkeit zur DNA-Synthese ermöglicht die Untersuchung der für das Leben minimal erforderlichen Genome. Das Minimalgenom kann in eine Wirtszelle eingebracht werden (deren eigenes Genom zuvor entfernt wurde) und dann "hochgefahren" werden, um eine minimale Lebensform zu schaffen. Die Minimalzelle könnte als Chassis für Synthetische Biologen dienen, die die Biologie von Grund auf neu entwickeln. Ein anderer Ansatz besteht darin, bereits existierende Organismen umzugestalten, indem man ihre genetischen Programme durch das Löschen und Einfügen von Genen oder ganzen Gen-Clustern neu verschaltet.

Obwohl die Synthetische Biologie bemerkenswerte Fortschritte gemacht hat, gibt es immer noch große wissenschaftliche Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um die Synthetische Biologie als zuverlässige und berechenbare technische Disziplin zu etablieren:

• unvollständiges Verständnis von DNA und Genomen - wir wissen bei vielen Genen nicht im Detail, was ihre biologische Funktion ist
• die Übertragung von funktionellen Genen zwischen Organismen ist nicht immer erfolgreich
• die Vorhersage, wie der zelluläre Kontext (Proteine, RNA usw.) mit künstlich eingeführten Systemen interagiert, ist ausgesprochen komplex
• künstlich eingeführte Systeme können aus einer Vielzahl von Gründen toxisch für den Wirtsorganismus sein
• genetische Schaltkreise sind kontextabhängig - manche Schaltkreise können in einzelnen Zellen funktionieren, aber nicht, wenn viele Zellen zusammenwirken
• genaue Vorhersagen über das Verhalten auf molekularer Ebene sind schwierig - wie funktionieren Proteine und Enzyme genau und wie können wir ihr Verhalten effektiv modellieren?
• einige Gene sind schwer zu synthetisieren, z. B. sich wiederholende Sequenzen oder Sequenzen mit hohem G- und C-Gehalt