Was ist Synthetische Biologie?

Was ist Synthetische Biologie?

Auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens. Die Synthetische Biologie könnte Erkenntnisse über eine Protozelle, den möglichen Urahn aller lebenden Zellen liefern. Kompartimente einer Zelle, die Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie untersuchen, stellen das Minimal-Modell einer solchen Protozelle dar. Bild vergrößern
Auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens. Die Synthetische Biologie könnte Erkenntnisse über eine Protozelle, den möglichen Urahn aller lebenden Zellen liefern. Kompartimente einer Zelle, die Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie untersuchen, stellen das Minimal-Modell einer solchen Protozelle dar. [weniger]

Es ist vielleicht bezeichnend, dass ein Physiker das Leitmotiv der Synthetischen Biologie formulierte: „Was ich nicht konstruieren kann, habe ich nicht verstanden.“ („What I cannot create, I do not understand“) stand auf einer Tafel des Nobelpreisträgers Richard Feynman geschrieben, als dieser 1988 starb. Seit einigen Jahren folgen auch die Vertreter eines biologischen Forschungsfeldes diese Maxime: die Wissenschaftler, die sich der Synthetischen Biologie widmen. Auf dem Gebiet arbeiten dehalb nicht nur Biologen, sondern auch Ingenieure, Physiker und Chemiker, Materialforscher und Computerwissenschaftler zusammen.

Eine einheitliche Definition, was Synthetische Biologie ist, gibt es bis heute nicht. Einig sind sich ihre Vertreter jedoch darin, dass damit ingenieurwissenschaftliche Prinzipien Einzug in die Biologie halten. Sie wollen die Vorgänge in Lebewesen nicht mehr nur beobachten und beschreiben, sondern sie auch gestalten oder in synthetischen Systemen nachahmen. Das übergreifende Ziel der „Bioingenieure“ ist es jedoch, biologische Systeme modulartig zu entwerfen und zu bauen. Auf diese Weise wollen sie diese Systeme zum einen mit Eigenschaften und Fähigkeiten auszurüsten, die in der Natur bisher nicht vorkommen. Zum anderen wollen sie durch diese Herangehensweise zur Klärung der grundlegender Fragen beitragen, was Leben ausmacht, wodurch sich etwas Lebendiges also von etwas Unlebendigem unterscheidet, und wie Leben entstanden ist.

Ära der Ingenieursbiologie

Manche Wissenschaftler betrachten die Synthetische Biologie auch als Fortentwicklung der Molekularbiologie beziehungsweise der Gentechnologie. Allerdings begnügen sich die Wissenschaftler in der Synthetischen Biologie nicht mehr damit, biologische Vorgänge in existierenden Organismen auf der Ebene einzelner Gene umzugestalten. Moderne Technologien geben den Forschern Instrumente an die Hand, um biologische Systeme und Lebensprozesse in ihrer Gesamtheit zu verstehen, neu zu konzipieren und zu konstruieren (zu Instrumente). Dazu zählen neben gentechnischen Werkzeugen der neuesten Generation auch die Systembiologie, mit der sich Lebensprozesse in ihrer Dynamik erfassen und auch berechnen und simulieren lassen, ebenso wie neueste Erkenntnisse der Organischen Chemie, der Biophysik und der Informationstechnologie. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Forschungsdisziplinen ist charakteristisch für die Synthetische Biologie. Sie hebt die Herangehensweise an lebende Systeme technologisch auf eine neue Stufe. Synthetische Biologie ist Ingenieursbiologie somit auf höchstem technischen Niveau.

Mit den Modulen des Lebens bauen

Tatsächlich lassen sich Konstruktionsprinzipien der Ingenieure auch auf biologische Systeme wie zum Beispiel die Zelle übertragen: Manche Wissenschaftler betrachten Zellen als biologische Maschinen, die aus Modulen aufgebaut sind. Ein solches biologisches Modul kann ein Gen, ein Protein oder ein ganzer Stoffwechselweg sein.

Biologische Funktionen, die in Zellen von Eiweißmolekülen ausgeführt werden, sind im Wesentlichen durch den universellen genetischen Code der Erbsubstanz DNA festgelegt. Zudem sind in der Evolution Steuer- und Kontrollelemente entstanden, mit denen sich die Aktivität der Gene und der Eiweißmoleküle regeln lässt. Die Natur hält also bereits die biomolekularen Komponenten bereit, die sich gezielt neu kombinieren lassen, um biologische Systeme zu konstruieren.

Mit standardisierten Bauteilen zu neuem Design

Um biologische Einzelteile und Informationen eines lebenden Systems zu verstehen und in veränderter Zusammensetzung planvoll zusammenzubauen, setzen Forscher in der Synthetischen Biologie auf zentrale Konzepte aus den Ingenieurswissenschaften: Modularität, Charakterisierung und Standardisierung.

Modularität: Hiermit ist gemeint, ein komplexes System schrittweise in möglichst eindeutig definierte funktionelle Untereinheiten und Komponenten zu zerlegen. Ein solches biologisches Modul kann ein Gen, ein Protein oder ein ganzer Stoffwechselweg sein.

Charakterisierung: Biologische Bauteile exakt zu vermessen sowie ihre Funktion zu beschreiben, ist zentrales Anliegen von Bioingenieuren. Mithilfe von mathematischen Modellen und Computersimulationen lassen sich Funktionseinheiten quantifizieren. Und es werden Vorhersagen möglich, wie sie sich verhalten, wenn man ihre Eigenschaften verändert. Die Charakterisierung von Komponenten ist entscheidend für das Design von biologischen Systemen.

Standardisierung: Auf dem Weg, biologische Systeme zu konstruieren, wollen Forscher biologische Bauteile schaffen, die zuverlässig funktionieren und die zu einem neuartigen System zusammengesetzt werden können. Im besten Falle kann man die Bauteile eines Typs untereinander austauschen. Deshalb streben Bioingenieure möglichst nach standardisierten Komponenten, die passgenau miteinander kombiniert werden können. So wollen sie biologische Systeme effizienter bauen.

Neuland unter ethischen, rechtlichen und sozialen Gesichtspunkten

Die Synthetische Biologie birgt mit ihrer Herangehensweise großes Potenzial für biotechnologische Anwendungen und Produkte für die Medizin, die Chemie oder die Energiewirtschaft (zu Anwendungen). Gleichzeitig ermöglicht die Herangehensweise auch grundlegende, geradezu existentielle Einsichten über den Ursprung und die essentiellen Funktionseinheiten des Lebens (zu Was ist Leben?). Denn die Synthetische Biologie könnte Erkenntnisse über eine mögliche Protozelle liefern: eine Zelle, mit der aus unbelebter Materie erstmals etwas Lebendiges wurde, bei der es sich also um den Urahn aller lebenden Zellen handeln könnte. Dass es solch eine Zelle gab, ist bislang nur eine Hypothese, die Forscher nun buchstäblich mit Leben füllen möchten. Wenn es sie gab, dürfte die Protozelle nur mit absolut lebenswichtigen Funktionen ausgestattet gewesen sein. Eine solche Zelle zu konstruieren, ist ein Ziel der Synthetischen Biologie, wenn auch noch ein sehr fernes.

Die ambitionierten Ziele der Synthetischen Biologie stellen jedoch nicht nur Naturwissenschaftler vor große Herausforderungen, sondern auch Geisteswissenschaftler – und die ganze Gesellschaft. Denn wer eine Expedition zur Grenze des Lebens antritt, diese möglicherweise verschiebt und sich komplexe biologische Systeme nutzbar macht, betritt auch unter ethischen, rechtlichen und sozialen Gesichtspunkten Neuland (zu Ethik & Recht). Die Akteure der Synthetischen Biologie – Wissenschaftler von Biologen bis Juristen, aber auch Forschungspolitiker – sind sich dessen bewusst – und sie stellen sich den damit verbundenen Auseinandersetzungen. Denn nur so gewährleisten sie, dass mit den möglicherweise bahnbrechenden Erkenntnissen und Fortschritten der Synthetischen Biologie verantwortungsvoll umgegangen wird.

 
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