Forschungsstrategien

Strategien der Synthetischen Biologie

Unabhängig davon, welche Strategie sie verfolgen, nutzen Forscher in der Synthetischen Biologie auch Methoden der Molekularbiologie. Allerdings kombinieren sie diese mit neuen Ansätzen. Bild vergrößern
Unabhängig davon, welche Strategie sie verfolgen, nutzen Forscher in der Synthetischen Biologie auch Methoden der Molekularbiologie. Allerdings kombinieren sie diese mit neuen Ansätzen. [weniger]

Um biologische Systeme zu verstehen und dann neu zu konstruieren, verfolgen Forscher in der Synthetischen Biologie zwei typische Konstruktionsprinzipien aus den Ingenieurswissenschaften: den Bottom-up- und den Top-down-Ansatz.

Im Bottom-up-Ansatz wollen Forscher ausgehend von einfachen chemischen Bausteinen komplexe Biosysteme von Grund auf erstellen. Dazu erforschen Wissenschaftler zunächst das Zusammenspiel einzelner unbelebter Bestandteile einer Zelle: von Zuckern, Fetten, Membranen, Proteinen und Nukleinsäuren. Dabei erzeugen sie gewissermaßen die Hardware einer Zelle. Sobald sie die Teilsysteme und Funktionseinheiten einer Zelle im Detail verstanden haben, wollen sie die Teile zu einer funktionstüchtigen, künstlichen Zelle zusammensetzen. Maschinenbau-Ingenieure bezeichnen diesen Ansatz als Forward Engineering.

Diesem grundlegenden und technisch sehr anspruchsvollen Ansatz widmen sich die Wissenschaftler im Forschungsnetzwerk MaxSynBio. Der Bottom-up-Ansatz wirft zudem ethische Fragen auf, die tiefer an bestehende Normen rühren (zu Ethik & Recht). Denn schließlich wollen Wissenschaftler hier aus unbelebter Materie Systeme erzeugen, die biologischen ähneln und möglicherweise sogar leben. Dieses Ziel verfolgen sie jedoch nicht zum Selbstzweck. Denn nur auf diese Weise können sie letztlich enträtseln, was Leben ausmacht und wie es entstanden ist (zu künstliche Zellen konstruieren).

Von zwei Seiten zu einem Ziel: Forscher der Synthetischen Biologie wollen letztlich eine einfache Zelle erzeugen, die nur die essentiellen Komponenten enthält und als Protozelle gelten kann. Die Vertreter der Top-down-Ansatzes arbeiten auf dieses Ziel hin, indem sie aus einer Zelle, etwa einem Bakterium alle Elemente entfernen, die nicht essentiell sind. Forscher, die dem bottom-up-Ansatz folgen, wollen eine Zelle aus ihren unbelebten Bestandteilen konstruieren. Auf diesem Weg zur Protozelle zu gelangen gilt als deutlich schwieriger. Bild vergrößern
Von zwei Seiten zu einem Ziel: Forscher der Synthetischen Biologie wollen letztlich eine einfache Zelle erzeugen, die nur die essentiellen Komponenten enthält und als Protozelle gelten kann. Die Vertreter der Top-down-Ansatzes arbeiten auf dieses Ziel hin, indem sie aus einer Zelle, etwa einem Bakterium alle Elemente entfernen, die nicht essentiell sind. Forscher, die dem bottom-up-Ansatz folgen, wollen eine Zelle aus ihren unbelebten Bestandteilen konstruieren. Auf diesem Weg zur Protozelle zu gelangen gilt als deutlich schwieriger. [weniger]

Der Top-down-Ansatz geht von einem existierenden Organismus aus. Selbst einfache Lebewesen wie Bakterien sind hochkomplexe Systeme. Ziel mancher Wissenschaftler in der Synthetischen Biologie ist es, sie zu vereinfachen, bis nur die minimale Ausstattung der notwendigsten Komponenten übrigbleibt. Dazu entfernen Forscher alle nicht überlebenswichtigen Bestandteile aus dem Inventar einer natürlichen Zelle. Diese sind immer mit Funktionen ausgerüstet, die sie nur für ihren natürlichen Lebensraum benötigen, nicht jedoch für das Überleben im Labor. Eine Minimalzelle braucht daher nicht unbedingt alle Funktionen einer natürlichen Zelle.

Eine verschlankte Zelle gibt den Blick für die entscheidenden Komponenten frei. Ingenieure sprechen vom Reverse Engineering. US-Forscher um Craig Venter sind Vorreiter des Top-down-Ansatzes in der Synthetischen Biologie. Bei einfach gebauten Mikroorganismen, den Mykoplasmen, sind sie derzeit dabei, das Genrepertoire auf das lebensnotwendige Minimum zu reduzieren. Solche Minimalzellen könnten, so die Vision der Bioingenieure, dereinst eine biotechnologische Produktionsplattform darstellen, die sich nachträglich mit speziellen Stoffwechselprozessen ausrüsten ließen. Der Top-down-Ansatz gilt derzeit als der praktikabelste Weg, um biologische Systeme für komplexe praktische Anwendungen zu nutzen.

 
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