Bei aller Legometaphorik: Die Synthetische Biologie ist kein Kinderspiel

Sollte das funktionieren, dann könnten mit dem Ansatz auch Giftstoffe oder Allergie auslösende Stoffe detektiert werden. So weit ist das Team aber nicht gekommen. Es gelang den Studenten weder, das Sensormolekül wie gewünscht zu verändern, noch Bakterien zu züchten, deren Lichtsignal mit dem bloßen Auge erkennbar ist.

Den meisten Teams geht es ähnlich. Die Vorträge, mit hervorragenden Animationen versehen und routiniert gehalten, können nicht darüber hinwegtäuschen, dass viele der großen Pläne nur als Pixel einer Powerpoint-Präsentation existieren. Die Zeit ist schlicht zu kurz. "Selbst ein Jahr wäre zu kurz, um viele dieser Projekte fertigzustellen", sagt Jeff Hasty, der an der Universität San Diego forscht.

Bei aller Legometaphorik: Die Synthetische Biologie ist kein Kinderspiel. Im Gegensatz zu Bauklötzen kann man auch riesige Abschnitte des Erbguts nicht sehen. Wer experimentiert, der pipettiert meist eine klare Flüssigkeit zu einer anderen, schüttelt, erhitzt, züchtet Zellen, verändert Viren. Und am Ende stellt er meistens fest, dass irgendetwas nicht funktioniert hat.

Es geht eben nicht um Bauklötze, die aufeinandergesetzt werden, sondern um Leben und das ist kompliziert. "Wir können immer noch nicht genau vorhersagen, was passiert, wenn wir verschiedene Gene zusammensetzen. Das ist die größte Herausforderung der Synthetischen Biologie", sagt Ron Weiss, Forscher am MIT . Ein fremdes Gen in ein Bakterium einzuschleusen kann zahlreiche unerwünschte Effekte haben: Das Gen kann verändern, wie stark andere wichtige Gene in der Nähe abgelesen werden, es kann selbst von anderen Genen beeinflusst werden und es kann zu stark oder zu schwach abgelesen werden. Die Zellen sterben dann, teilen sich nur spärlich oder verhalten sich einfach nicht so, wie vorgesehen.

Voigt erinnert sich an einen simplen Schaltkreis, den er von einem Bacillus -Bakterium in ein E.coli -Bakterium heben wollte. "Die Zellen sind plötzlich völlig durchgedreht." Der Grund: Ein Eiweiß in dem Schaltkreis ähnelte einem Eiweiß, das an der Regulation jedes fünften Gens in E.coli beteiligt ist. "Im Gegensatz zu einem Computerchip kann in einer Zelle eben alles mit allem reagieren", sagt Voigt.

Darum sind größere Schaltkreise äußerst schwierig zu bauen. Nachdem 2000 die ersten Schaltkreise veröffentlicht wurden, sei es erst einmal ein paar Jahre ruhig geworden, sagt Ron Weiss. "Forscher haben an der zweiten Generation von Schaltkreisen gearbeitet." Zwischen 2003 und 2006 seien dann komplexere Schaltkreise gelungen. "Seither hat sich die Komplexität, die wir erreichen können, aber nicht erhöht", sagt Weiss.

Am Vorabend des IGEM-Wettbewerbs steht Drew Endy , einer der Vordenker der Synthetischen Biologie, in einem Hörsaal in Boston. "Biologie ist die Technologie des 21. Jahrhunderts", sagt er. Bei dem Wort "die" hält er kurz inne und blickt um sich. Jeder soll verstehen, dass er nicht eine Technologie meint, sondern die Technologie. Aber das 21. Jahrhundert hat gerade erst begonnen und was bisher wirklich möglich ist, wie viel von der Komplexität beherrschbar ist, darüber gehen die Meinungen auseinander.

"Es ist sehr verlockend zu sagen, wir werden diese Lebewesen nach Ingenieursregeln synthetisieren. Aber wir müssen das in lebenden Zellen zum Laufen bringen und das ist eine Menge Arbeit", sagt Hasty. "Ich komme aus der Physik und ein Großteil des Faches beschäftigt sich damit, wie aus wenigen einfachen Dingen eine ungeheure Komplexität entstehen kann."

Hasty weiß, wovon er spricht. Mit nur drei Genen hat er aus einer Bakterienkultur eine synchron blinkende Uhr gemacht. Das Ganze ist ein Musterbeispiel für das komplexe Zusammenspiel weniger Gene. Ein Molekül namens AHL aktiviert in den veränderten Zellen drei verschiedene Dinge: Erstens kurbelt es die Herstellung von weiterem AHL an, eine Spirale, die zu immer mehr AHL führen würde. Zweitens sorgt es dafür, dass ein Enzym gebildet wird, dass AHL abbaut. Je mehr AHL es gibt, umso stärker wirkt diese negative Rückkopplung.

Die beiden entgegengesetzten Mechanismen führen zu einem wellenförmigen Ansteigen und Abfallen der Menge an AHL in der Zelle. AHL aktiviert aber auch ein fluoreszierendes Protein und weil es zwischen den Zellen ausgetauscht wird, entstehen Wellen von Fluoreszenz, die die gesamte Bakterienkultur erfassen. In der Zeitrafferaufnahme sehen die Zellen aus wie ein Regen blauer Fluoreszenz. Der Schweizer Biologe Martin Fussenegger vergleicht Hastys Leistung damit, alle Ampeln der Welt gleichzeitig leuchten zu lassen.