Seltsam fleckig sieht die Bakterienkultur in der Petrischale aus, die Christopher Voigt in der Hand hält. Dann plötzlich, bei genauerem Hinsehen, wird eine Strichzeichnung von Albert Einsteins Gesicht erkennbar. Aber Voigt, Biologe am Massachusetts Institute of Technology (MIT), hat nicht etwa Farbe in die Schale geträufelt. Er hat die Bakterien genetisch so verändert, dass sie ein dunkles Pigment produzieren, wenn rotes Licht auf sie fällt, etwa durch eine Maske mit einem eingeritzten Einsteinporträt. Der Bakterienrasen wird in Filmmaterial verwandelt – und ist eines der plakativsten Beispiele, wie die Synthetische Biologie lernt, Mikroorganismen wie Maschinen umzuprogrammieren.

Der Trick mit dem Bakterienfilm könnte aus Mikroben neuartige Sensoren machen. Voigt und seine Kollegen haben allerdings Größeres im Sinn. James Collins, Biomediziner an der Boston University, beschreibt die Mission der Synthetischen Biologie so: »Wenn Wissenschaftler Gene von Grund auf neu konstruieren, können sie Organismen mit ganz neuen Eigenschaften kreieren. Sie können Bakterien erschaffen, die Ölteppiche auf dem Meer beseitigen, oder Zellen, die neue Materialien ausstoßen.« Möglich soll das mit sogenannten genetischen Schaltkreisen werden: ausgeklügelten Kombinationen aus Genen und Enzymen, die den Stoffwechsel einer Zelle umbauen. So entstehen Mikroorganismen, die in der Natur nicht vorkommen.

Collins war einer der Ersten, der einen solchen Schaltkreis gebaut hat. Im Jahr 2000 schuf er einen Toggle Switch (Kippschalter), indem er zwei Gengruppen in die DNA eines Kolibakteriums einfügte. Diese Gengruppen können sich auf äußere Reize hin abwechselnd lahmlegen: Setzt man den Einzeller kurzzeitig einer bestimmten Chemikalie aus, deaktiviert diese das Gen A. Gen B produziert währenddessen ein sogenanntes Repressor-Protein, das Gen A ebenfalls abschaltet. Die Folge: Auch wenn die Chemikalie nicht mehr vorhanden ist, bleibt Gen A deaktiviert. Und zwar so lange, bis man mit einer zweiten Chemikalie Gen B blockiert. Der Schalter wird nun umgelegt, Gen A fängt an, seinerseits ein Enzym zu bilden, das Gen B dauerhaft blockiert. Wie bei einem elektrischen Kippschalter wechselt das Bakterium zwischen zwei Zuständen hin und her – und könnte, als ein genetisches Bauteil von mehreren, gezielt weitere Vorgänge in der Zelle auslösen.

Seit Collins’ Arbeit haben etliche Forschungsgruppen komplexere genetische Schaltkreise entwickelt, die zunehmend auch einen praktischen Nutzen haben. Dem Biologen Jay Keasling vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien gelang es 2005, Hefezellen zu konstruieren, die eine Vorläufersubstanz für das Malaria-Medikament Artemisinin erzeugen. Das konnte man zuvor nur aufwendig aus dem Kraut Artemisia annua gewinnen. Mit Unterstützung der Bill and Melinda Gates Foundation und der Weltgesundheitsorganisation baute die Firma Amyris, an der Keasling beteiligt ist, eine industrielle Produktion auf. Das Medikament soll nun 30 bis 60 Prozent billiger sein als zuvor, der Vertrieb noch in diesem Jahr starten.

Dieser erste Durchbruch der Synthetischen Biologie fiel zusammen mit anziehenden Ölpreisen und der wieder aufflammenden Klimadebatte. Da lag die Frage nahe: Könnte man Kolibakterien, Bierhefe und andere Einzeller nicht auch so umbauen, dass sie Kraftstoffe oder andere chemische Grundstoffe produzieren – und den Abschied vom Öl ermöglichen? Große Konzerne witterten ein Geschäft – und investierten in Biotechfirmen: Chevron tat sich mit LS9 zusammen, Exxon mit Synthetic Genomics, der Reifenhersteller Goodyear mit Genencor. BP spendierte stolze 500 Millionen Dollar für die Gründung des Energy Biosciences Institute der Universität Berkeley. Auch Amyris arbeitete inzwischen an Mikrobensprit und ging 2010 als erstes Unternehmen der Synthetischen Biologie an die Börse.

An spektakulären Forschungsergebnissen mangelt es nicht. Die Kolibakterien von LS9 lassen sich mit Zuckermolekülen aus Pflanzen füttern und erzeugen dann fertigen Biodiesel, den man ohne Nachbearbeitung tanken kann. Die Bierhefe von Amyris produziert Ethanol. Und Synthetic Genomics hat mit dem J. Craig Venter Institute Blaualgen so umgebaut, dass sie mithilfe der Fotosynthese aus Licht und CO₂ Kraftstoff nicht nur im Zellinneren produzieren, sondern ihn auch ausscheiden. Das ist bislang keiner anderen Firma gelungen, die an Algen-Kraftstoff forscht.

"Wir brauchen bessere Grundorganismen"

Doch der Weg vom Labor-Organismus zum wettbewerbsfähigen Produkt ist weit. »Wir können einiges zusammenfügen, aber es zum Funktionieren zu bringen ist für Firmen wie Amyris und LS9 eine enorme Aufgabe«, sagt Jay Keasling. Ein Problem ist, die Einzeller auch in großen Bioreaktoren arbeiten zu lassen. Deshalb ist der Mikrobensprit von Amyris derzeit schlicht nicht konkurrenzfähig. Die Produktionskosten liegen bei 7,70 Dollar pro Liter – weshalb Amyris sich nun erst einmal auf chemische Grundstoffe konzentriert. In einer 600.000 Liter fassenden Anlage in Brasilien wollen die Kalifornier gemeinsam mit dem Bioethanol-Hersteller Cosan den Stoff Squalen herstellen. Diese organische Verbindung wird in der Kosmetikindustrie zu Salben verarbeitet.

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Die Schwierigkeiten rühren auch daher, dass die Synthetische Biologie noch längst nicht die exakte Ingenieurwissenschaft ist, die sie werden soll. »Die biologischen Werkzeuge sind immer noch zu primitiv«, sagt Keasling. »Wir brauchen bessere Verfahren, wir brauchen bessere Grundorganismen.«

Diese zu entwickeln scheint aber nur eine Frage der Zeit zu sein. In der 2003 gegründeten Registry of Standard Biological Parts sind inzwischen 7.000 DNA-Bausteine verzeichnet, also die jeweilige genetische Funktion sowie die Abfolge der genetischen Buchstaben A, C, G und T, aus denen sie bestehen. Die Bausteine können bei DNA-Synthese-Firmen wie Geneart oder Blue Heron Biotechnology bestellt werden. Ein genetischer Buchstabe kostet heute etwa 40 US-Cent, ein Bruchteil dessen, was noch in den neunziger Jahren zu bezahlen war. Dem Gentechnik-Unternehmer Craig Venter, Gründer von Synthetic Genomics, gelang es bereits, ein komplettes synthetisch hergestelltes Bakteriengenom in einen anderen Einzeller zu transplantieren. Dieser lebte nach der Zellteilung mit dem neuen Genom weiter.

Dank neuer Hochleistungsrechner lassen sich die hochkomplexen Wechselwirkungen zwischen Genen, Enzymen und anderen Zellbausteinen nun auch analysieren, bevor die Organismen im Labor nachgebaut werden. So konnten Forscher der Stanford University kürzlich den gesamten Stoffwechsel von Mycoplasma genitalium simulieren. Das Bakterium besitzt allerdings das kleinste Genom aller bekannten Lebewesen, ganze 525 Gene stecken darin. Ingenieure von BBN Technologies und dem MIT entwickeln zudem eine biologische Programmiersprache namens Proto. Damit sollen Biologen Genschaltkreise am Rechner so einfach entwerfen und simulieren können, wie Computerprogrammierer neue Software schreiben.

»Der Code des Lebens ist total willkürlich. Wir können die fundamentalen Aspekte des Lebens manipulieren«, frohlockt der US-Genetiker Frederick Blattner angesichts der Fortschritte der Synthetischen Biologie. Die kommenden Jahre werden zeigen, ob diese Euphorie vermessen oder visionär ist.