Synthetische BiologieWarum Ölkonzerne in Bierhefe investieren

Im Labor vollbringen Designer-Mikroben wahre Wunder. Nun sollen sie der Großindustrie dienen. Ist das vermessen oder visionär? von 

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.

Anzeige

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.

Repressor-Proteine

Diese Proteine lagern sich an ein Gen an und verhindern so, dass es ausgelesen werden kann. Sie sind ein wichtiges Element in gene-tischen Schaltkreisen, weil sich mit ihnen die Genaktivität beeinflussen lässt.

Genetische Buchstaben

Das DNA-Molekül erinnert an eine verdrillte Strickleiter, deren Sprossen Paare aus den Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) bilden. Dabei sind A und C sowie G und T ein Basenpaar. A, C, G und T werden auch als genetische Buchstaben bezeichnet. Je drei Basenpaare codieren eine Aminosäure.

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.

Geschichte der Synthetischen Biologie
1953

James Watson und Francis Crick klären die DNA- Struktur auf: Sie gleicht einer verdrillten Strickleiter.

1968

Hamilton Smith entdeckt, dass ein Restriktionsenzym die DNA auftrennt, bevor ein Gen ausgelesen wird.

1973

Stanley Cohen und Herbert Boyer fügen DNA in ein Bakteriengenom ein – der Beginn der Gentechnik.

1974

Der polnische Genetiker Wacław Szybalski prägt den Ausdruck »Synthetische Biologie«.

1975

Frederick Sanger sequenziert erstmals einen DNA- Abschnitt als eine Folge von genetischen Buchstaben.

1983

Kary Mullis erfindet die Polymerase-Kettenreaktion. Mit ihr lassen sich DNA-Sequenzen vervielfältigen.

1995

Robert Fleischmann ermittelt die erste komplette Gensequenz eines Lebewesens, eines Bakteriums.

2000

US-Forscher synthetisieren erstmals ein komplettes Genom, das des Hepatitis-C-Erregers.

2002

Eckard Wimmer synthetisiert das Genom eines künstlichen, in der Natur nicht vorhandenen Virus.

2003

Tom Knight, Drew Endy und Christopher Voigt starten das Register biologischer Standardteile.

2004

Am Massachusetts Institute of Technology findet die internationale Konferenz Synthetic Biology 1.0 statt.

2006

Das J. Craig Venter Institute veröffentlicht ein »Minimalgenom« aus 381 lebensnotwendigen Genen.

2007

Die Venter-Forscher transplantieren erstmals ein artfremdes Genom in ein Bakterium, das weiterlebt.

2011

Japanische Forscher verpflanzen ein Genom in künstliche Zellkörper, die sich daraufhin teilen.

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.

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.

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

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.

ZEIT Wissen 6/2012
ZEIT Wissen 6/2012

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.

Zur Startseite
 
Leserkommentare
    • otto_B
    • 23. November 2012 18:44 Uhr

    Daß Mikroben in der chemischen Synthese ein eleganter Weg sein können um von A nach B zu kommen, steht außer Frage.

    Wie das aber bei der Bereitstellung chemisch gebundener Energie "aus nichts" werden könnte - schauen wir mal.
    Dieses "nichts" besteht ja immerhin zumindest aus Kohlendioxid, Wasser und Fläche.
    Die Effizienz könnte ggf. besser sein als bei einem Getreidefeld (?). Aber ob das auch billiger wird?
    Ich laß mich überraschen.

    2 Leserempfehlungen
  1. ...wie irgendwelche Superhirne versuchen die Probleme der Menschheit zu lösen :-) Ich hoffe nur, dass es auch funktioniert. Wenn es gelänge Erdöl kostengünstig herzustellen, wäre die größte bevorstehende Krise der gesamten Menschheit auf einen Schlag gelöst.

    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    Kohlenwasserstoffhaltige Rest- und Wertstoffe sind Basis für die Herstellung von Ersatzbrennstoffen (Öl und Gas) für BHKW, der bei der thermokatalytischen Verölung anfallende Kohlenstoff ist zusammen mit dem verwendeten Katalysator ein hervorragender Bodenverbesserer.
    Klärschlämme, Spuckstoffe, Gärreste aus Biogasanlagen, Hausmüll, Produktionsabfälle der Lebensmittelindustrie... all dies sind "nachwachsende Rohstoffe"!

    Es gibt diese Technologie, sie ist auch verfügbar...

  2. .. aber produziert Bierhefe nicht schon seit Jahrhunderten Ethanol, ohne dass daran etwas genetisch modifiziert wurde. Wie ist denn sonst, das Bier neben mir entstanden?

    4 Leserempfehlungen
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    prost ;-)

    • Pterry
    • 23. November 2012 22:36 Uhr

    aber die Mengen sind zu klein und die Methode nicht effizient, wenn den kleinen Rackern nicht auf die Sprünge geholfen wird.
    Außerdem kann man dann machen, dass sie auch was anderes als Zucker fressen.

    war es nicht mal so das ein Bakterium die Erde sozusagen vollgepumpt hat mit Sauerstoff was uns das Leben ermöglichte wieso schafft dies es nicht auch also Bierhefe

    • Nero11
    • 23. November 2012 19:04 Uhr

    Was mir allerdings nicht gefällt ist diese Überstüztheit und diese Gier nach schnellen Ergenissen anstatt einfach nur vernüftig Forschung zu betreiben.

    Und Aussagen wie die folgende kann ich schon garnicht leiden.

    »Der Code des Lebens ist total willkürlich. Wir können die fundamentalen Aspekte des Lebens manipulieren«

    Hört sich an, als habe da jemand sein Spielzeug gefunden. Etwas mehr Ernsthaftigkeit bitte, ich weiß, dass das ein spannendes Gebiet ist.

    • snoek
    • 23. November 2012 19:06 Uhr
    Antwort auf "Genial..."
  3. prost ;-)

  4. 8. Prost

    Darauf genehmige ich mir erst mal ein Bierhefeprodukt. Prost.

Bitte melden Sie sich an, um zu kommentieren

  • Artikel Auf mehreren Seiten lesen
  • Schlagworte Synthetische Biologie | Biotechnologie | Gentechnik
Service