Synthetische BiologieWie Hefezellen Medikamente gegen Malaria herstellen

Wachs, Farben, Kunststoffe: Fast alles wird heute aus Erdöl und Erdgas hergestellt. Biologen wollen nun Zellen zu Fabriken machen. von 

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Eine Pharmafabrik in Gabun stellt Medikamente gegen Malaria und HIV/Aids her  |  © Desirey Minkoh/AFP/Getty Images

Harnstoff ist keine sonderlich spannende Substanz. Aber als Friedrich Wöhler 1828 in Berlin den farblosen, geruchlosen Stoff im Reagenzglas herstellte, war das eine Sensation. Denn bis dahin wurde Harnstoff nur von Leber und Niere hergestellt. Chemiker glaubten an eine klare Trennung von lebender und toter Materie. Den "lebendigen" organischen Harnstoff aus den toten Substanzen Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat herzustellen, wie Wöhler das tat, galt als unmöglich.

Nach Wöhler begannen Forscher zahlreiche organische Moleküle in Kolben und Gläsern zu synthetisieren. 1854 stellte der Franzose Marcellin Berthelot aus Gylcerol und Stearinsäure das natürlich vorkommende Fett Tristearin her und er ging noch einen Schritt weiter: Indem er andere Fettsäuren nutzte, die in natürlichen Fetten nicht vorkamen, konnte er ganz neue Substanzen herstellen, die den natürlichen Fetten ähnelten, so aber nicht in der Natur vorkamen.

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Wendell Lim von der Universität von Kalifornien in San Francisco erinnert gern an diese Anfänge der organischen Chemie. Deren Produkte sind heute allgegenwärtig. Lim glaubt, der Biologie stehe eine ganz ähnliche Entwicklung bevor. "In den nächsten Jahrzehnten werden wir in der Biologie vermutlich eine vergleichbare Revolution sehen", sagt Lim. Tatsächlich macht die Synthetische Biologie es schon jetzt möglich, manche Chemikalien in Mikroorganismen herzustellen. Auch hier sind die ersten Erfolge die des Kopierens.

Im kleinen kalifornischen Ort Emeryville, nicht weit von den Animationsstudios von Pixar entfernt, erhebt sich eine lange Glasfassade an der Straße. Hier sitzt das Unternehmen Amyris. Für das junge Feld der Synthetischen Biologie ist es die Vorzeigefirma, die Erfolgsgeschichte, die beweisen soll, was möglich ist.

Der Biologe Jay Keasling, Professor an der Universität Berkeley , gründete die Firma 2003 gemeinsam mit anderen Forschern. Ihre Idee: Das Malaria-Medikament Artemisinin von Hefezellen herstellen zu lassen. Bisher muss die Substanz mühsam aus Pflanzen gewonnen werden. Aus einem Kilogramm getrockneten Blättern des einjährigen Beifuß lassen sich etwa acht Gramm Artemisinin gewinnen.

Die Gates-Stiftung unterstützte das Start-Up-Unternehmen mit mehr als 40 Millionen US-Dollar. Der Einfluss könnte enorm sein: Mehr als eine Million Menschen sterben jedes Jahr an Malaria und immer mehr Erreger sind gegen viele Medikamente resistent. Weil Artemisinin auch gegen diese lästigen Einzeller wirksam ist, hat die Weltgesundheitsorganisation es 2000 zur ersten Verteidigungslinie gegen die Krankheit erhoben. Weil es aber 14 Monate vom Samen der Pflanze zum fertigen Medikament dauert, kommt es immer wieder zu Schwankungen in der Verfügbarkeit – und im Preis.

Genetische Firewall
"Escherichia Coli"-Bakterien im Elektronenmikroskop

Klicken Sie auf das Bild, um zu lesen, wie Forscher mit synthetischer DNA dem Kampf gegen Viren aufnehmen.  |  © Wikicommons

Nun haben die Forscher von Amyris die entscheidenden Gene aus der Pflanze in Hefezellen kopiert und die Zellen so zu kleinen Artemisininfabriken umfunktioniert. Aber auch das Kopieren ist keineswegs einfach. "Es ging nicht einfach darum, eine Zelle dazu zu bringen, ein Gen häufiger abzulesen. Wir haben einen kompletten Produktionsweg in diese Zellen eingefügt", sagt Neil Renninger, einer der Gründer des Unternehmens. Tatsächlich sind die Hefen wie eine Produktionsstraße immer weiter optimiert worden. Im Grunde sind Zellen voll mit solchen Produktionsstraßen: Die Gene im Zellkern sind Bauanleitungen für Eiweiße und jedes Eiweiß macht in der Zelle einen bestimmten Handlungsschritt wie ein Arbeiter am Fließband, verwandelt ein Molekül in ein anderes.

Zunächst mussten die neuen Gene eingefügt werden, sodass die Zelle überhaupt die gewünschte Artemisinsäure (Vorläufer des Artemisinins) herstellt. "Dann mussten wir andere Gene so verändern, dass die Zelle alle nicht lebensnotwendigen Ressourcen in die Produktion dieser Chemikalie steckt", erklärt Renninger. Gene wurden verstärkt oder gleich verdoppelt, Seitenzweige wurden gekappt und die Aktivität der einzelnen Eiweiße so auf einander abgestimmt, dass es zwischendurch nicht zu einem Stau kommt. Denn würde sich ein Zwischenprodukt ansammeln, könnte das giftig für die Zelle sein oder die Produktion durcheinander wirbeln. "Das Ergebnis ist eine Zelle, die auf genau eine Sache getrimmt ist: Artemisininsäure herzustellen."

Leserkommentare
    • nitric
    • 23. Februar 2011 16:28 Uhr

    Dann kann man sicherlich auch Gold herstellen... der Alchimistentraum geht in erfüllung... :D

    • traude
    • 23. Februar 2011 19:53 Uhr
    2. Ebene

    Dann wechseln Sie aber von der Molekül- auf die Atomebene, und dort können Sie mit biochemischen Verfahren nichts erreichen.
    Das mit dem Gold wird wohl Problem der Atomphysik bleiben.

    • otto_B
    • 23. Februar 2011 23:04 Uhr

    Die Herausstellung der verfahrenstechnischen Vorzüge von Synthesen in der Bakterienbrühe ist legitim. Aber so unendlich neu nun auch wieder nicht.
    Der Verweis auf den Golf von Mexiko ist allerdings demagogisch. Denn so ausgeklügelt die Synthese auch sein mag, das Futter für die Mikroben muß man schon irgendwo her nehmen. Bei Tonnagen im Mega-Maßstab (....von (Bio-)diesel war ja durchaus die Rede....) braucht man da auch entsprechende Mengen an Einsatzstoffen. Traditionellerweise war da seit dem Beginn des Industriezeitalters der Bergbau dafür zuständig. Wenn jetzt alles grün und nachwachsend werden soll - ich wüßte nicht, daß die Tank-Teller-Debatte zu einem "positiven" Ende gekommen wäre.
    Kleintonnagige Spezialitäten (wenig Rohstoff, viel Intelligenz) - keine Frage.
    Aber an der Schnittstelle von Petrolchemie und Energiemarkt dürften auf dieser Schiene wohl kaum Revolutionen zu erwarten sein, rein mengenmäßig.

    Kleiner Seitenhieb:
    Von den Akteuren wird als Vorteil die Unabhängigkeit von "seltenen Elementen" erwähnt. Sehr richtig.
    Aber bei der propagierten Elektrifizierung des Autoverkehres ist da die exakt gegenteilige Entwicklung zu beobachten. Von Lithium bis Neodym und Gallium.......

    Eine Leserempfehlung
  1. Kein Scherz, sondern spannender Ernst: Sehr erfolgversprechend ist die weitere Erforschung von Pilzen.

    Pilze sind wahre Pioniere der Biotechnologie - Film von Arte:
    https://www.youtube.com/w...

    -Pilze sind Produzenten von allermöglichen nützlichen Enzymen

    -Pilze können erfolgreich zur Umweltentgiftung eingesetzt werden

    -Pilze sind wahre Logistiker, so wie Ameisenalgorythmen das Internet vorangebracht haben, so können die Regeln, die die Pilze anwenden Vorbild sein für unsere komplexe Infrastrukuren.

    -Gezielter Einsatz in der Landwirtschaft, läßt ihre Eigenschaften Infrastruktur zu bilden nutzbringend vom Menschen verwenden.

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