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.

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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.

Leserkommentare
  1. .. 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
  2. Dort steht: Dabei sind A (Adenin) und C (Cytosin) sowie G (Guanin) und T (Thymin) ein Basenpaar.

    Das ist so nicht richtig. Die Basenpaare sind A-T und C-G. Zumindest wenn ich mich recht an meinen Biologieunterricht erinnere.

    3 Leserempfehlungen
    • 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
  3. Wenn Deep Water Horizon abbrennt, dann stopft man das Bohrloch zu und wartet bis die Natur die Sauerei wieder beseitigt hat.

    Wenn diese Blaualgen in der Mecklenburger Seenplatte ausbüchsen, dann steht bald auf jedem See eine Schicht Diesel, und Abwarten hilft dann gar nichts mehr.

    Wenn man sich überlegt welchen Kahlschlag in der Biodiversität der Mensch in den letzten paar Jahrhunderten verursacht hat, indem er in bestimmte Ökosysteme so viele Neophyten eingebracht hat das die Anpassungsfähigkeit des lokalen Ökosystems überfordert war (die Paradebeispiele sind Australien und Neuseeland, aber das gilt inzwischen auch schon für den Rhein), dann kann man sich vorstellen was passiert wenn man das mit künstlichen Organismen macht.

    2 Leserempfehlungen
  4. Komischer Ansatz, die synthetische Biologie zur Energiegewinnung zu instrumentalisieren. Es mangelt ja schließlich nicht an Energiequellen, die bereits prinzipiell von jedermann vergleichsweise unaufwendig und bezahlbar abgeschöpft werden können (Sonne, Wind, Gezeiten, Fließgewässer). Auf den Tag, an dem sich Menschen Bakterientanks auf's Grunstück stellen um dann Ethanol zu zapfen können wir wahrscheinlich ewig warten.

    Die Meldung über Elektrizität entwickelnde Bakterien mit einem "Wirkungsgrad" von über 80% hat auch schon vor 10 Jahren die Runde gemacht - die begnügen sich auch mit ganz herkömmlicher Glucose. Für den guten alten Strom gibt's vorteilhafterweise sogar schon ein Distrubutionssystem, das zwar freilich noch einiger Ausbauten bedarf, sich aber längst als zuverlässig und machbar erwiesen hat.

    Was fehlt ist ein guter Speicher, vielleicht schaffen es findige Biologen ja, ein "Kondensatorbakterium" zu entwickeln. Da würde ich mein ganzes - zugegebenermaßen überschaubares - Vermögen in Anteile an einem entsprechenden StartUp investieren. :)

    Für die "Spritbazillen" müsste ja sämtliche Infrastruktur erst noch geschaffen werden. Nur wofür? Damit der Energieträger auch künftig im liquiden Aggregatszustand vorliegt? Naja gut, es sind halt Ölkonzerne...

    Da find ich die synthetische Herstellung von Grundstoffen wie etwa für Artemisinin mittels Bakterien wesentlich wegweisender.

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    • skeptik
    • 24. November 2012 7:08 Uhr

    noch nach ökologisch und quantitativ besseren Alternativen.

    Die Verbauung von Fließgewässen zur Stromerzeugung richtet übrigens auch großen Ökologischen Schaden an.

    sonnenkraft: solaranlagenmüll
    windkraft: windräder bremsen luftmassenbewegungen aus, folgen auf lokales oder regionales klima noch nicht einschätzbar
    wasserkraft: ökologische schäden durch anlagenbau

    die produktion von treibstoff vielleicht sogar in hauseigenen anlagen ist absolut plausibel, zumal der transport wegfällt.

    • skeptik
    • 24. November 2012 7:08 Uhr

    noch nach ökologisch und quantitativ besseren Alternativen.

    Die Verbauung von Fließgewässen zur Stromerzeugung richtet übrigens auch großen Ökologischen Schaden an.

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  5. und keine bakterien.
    und der unterschied zur bierhefe besteht darin, dass die hefe keine pflanze ist, sondern ein pilz und keine photosynthese betreibt.
    der pilz mach die photosynthese wieder rückgängig, ist also dem tierischen organismus ähnlicher als dem pflanzlichen.

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    • pedue04
    • 25. November 2012 9:37 Uhr

    Denkt auch jemand darüber nach, was passiert, wenn die kleinen Tierchen sich in der Umwelt verbreiten (können)??

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