Letzte Woche versammelte sich eine Gruppe von 150 eingeladenen Experten in Harvard. Hinter verschlossenen Türen diskutierten sie die Aussichten, ein gesamtes menschliches Genom von Grund auf mit nur einem Computer, einem DNA-Synthesizer und Rohstoffen zu entwerfen und aufzubauen. Ein künstliches Genom wird dann in eine lebende menschliche Zelle injiziert, um deren natürliche DNA zu ersetzen. Die Hoffnung ist, dass die Zelle "neu startet" und ihre biologischen Prozesse so ändert, dass sie auf der Grundlage der Anweisungen der künstlichen DNA funktioniert.
Mit anderen Worten, wir werden vielleicht bald die erste "künstliche menschliche Zelle" sehen.
Das Ziel ist jedoch nicht einfach, Human 2.0 zu erstellen. Mit diesem Projekt, HGP-Write: Testen großer synthetischer Genome in Zellen, hoffen Wissenschaftler, innovative und leistungsstarke Werkzeuge zu entwickeln, die die synthetische Biologie in Richtung eines exponentiellen industriellen Wachstums treiben. Wenn dies gelingt, werden wir nicht nur biologische Werkzeuge erwerben, um den Menschen als Spezies zu gestalten, sondern auch die lebende Welt neu gestalten können.
Erschaffung des Lebens
Die synthetische Biologie ist im Wesentlichen eine Verbindung zwischen den Prinzipien der Technik und der Biotechnologie. Während es bei der DNA-Sequenzierung ausschließlich um das Lesen von DNA geht, geht es bei der Gentechnik um die Bearbeitung von DNA, und bei der synthetischen Biologie geht es darum, neue DNA unabhängig von ihrer ursprünglichen Quelle zu programmieren, um neue Lebensformen zu schaffen.
Synthetische Biologen betrachten DNA und Gene als biologische Standardbausteine, die nach Belieben verwendet werden können, um lebende Zellen zu erzeugen und zu modifizieren.
Werbevideo:
In diesem Bereich gibt es das Konzept eines Designers, sagt Dr. Jay Keesling, ein Pionier der synthetischen Technik an der University of California in Berkeley. "Wenn Ihre Festplatte ausfällt, können Sie zum nächsten Computergeschäft gehen, eine neue kaufen und die alte ersetzen", sagt er. "Warum verwenden wir biologische Teile nicht auf die gleiche Weise?"
Um den Fortschritt in diesem Bereich zu beschleunigen, stellen Kisling und seine Kollegen eine Datenbank standardisierter DNA-Stücke zusammen - BioBricks ("Biobricks"). Es kann als Puzzleteil verwendet werden, um genetisches Material zu sammeln, das in der Natur noch nie zuvor gesehen wurde.
Für Kisling und andere auf diesem Gebiet ist die synthetische Biologie wie die Entwicklung einer neuen Programmiersprache. Zellen sind Hardware, Hardware, während DNA Software ist, mit der sie funktionieren. Mit genügend Wissen über die Funktionsweise von Genen hoffen synthetische Biologen, dass sie genetische Programme von Grund auf neu schreiben, neue Organismen erschaffen, die Natur verändern und sogar die menschliche Evolution in eine neue Richtung lenken können.
Ähnlich wie in der Gentechnik bietet die synthetische Biologie Wissenschaftlern die Möglichkeit, mit natürlicher DNA zu experimentieren. Unterschied in der Skalierung: Die Genbearbeitung ist ein Prozess zum Ausschneiden / Einfügen, bei dem neue Gene hinzugefügt oder Buchstaben in vorhandenen Genen geändert werden. Manchmal ändert sich nicht viel.
Die synthetische Biologie hingegen erzeugt Gene von Grund auf neu. Dies gibt Wissenschaftlern mehr Raum, um bekannte Gene zu modifizieren oder sogar eigene zu erstellen. Die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.
Biomedizin, Biokraftstoffe, Biokulturen
Die Explosion der synthetischen Biologie in den letzten zehn Jahren hat bereits zu Ergebnissen geführt, die Wissenschaftler und Unternehmen gleichermaßen begeistert haben. Bereits 2003 veröffentlichte Keesling eine der ersten Studien, die die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes belegen und demonstrieren. Es konzentrierte sich auf eine Chemikalie namens Artemisinin, ein starkes Malariamedikament, das aus süßem Wermut (Wermut) gewonnen wird.
Trotz zahlreicher Versuche, diese Pflanze zu kultivieren, bleibt ihr Ertrag äußerst gering.
Kisling erkannte, dass die synthetische Biologie eine Möglichkeit bot, den Ernteprozess insgesamt zu umgehen. Indem Sie die notwendigen Gene in Bakterienzellen einführen, können Sie diese Zellen in Maschinen zur Herstellung von Artemisinin verwandeln und auf ihre Kosten eine neue, reichlich vorhandene Quelle des Arzneimittels bereitstellen.
Das war sehr schwer zu machen. Wissenschaftler mussten einen völlig neuen Stoffwechselweg in der Zelle aufbauen, damit sie Chemikalien verarbeiten konnte, die sie vorher nicht kannten. Durch Versuch und Irrtum haben Wissenschaftler Dutzende von Genen aus mehreren Organismen zu einem DNA-Paket zusammengeklebt. Durch das Einführen dieses Beutels in E. coli - das Bakterium E. coli wird üblicherweise im Labor zur Herstellung von Chemikalien verwendet - wurde ein neuer Weg für die Bakterien geschaffen, Artemisinin abzuscheiden.
Durch ein wenig mehr Anziehen der notwendigen Nüsse gelang es Kisling und seinem Team, die Produktion millionenfach zu steigern und den Preis des Arzneimittels um das Zehnfache zu senken.
Artemisinin war nur der erste Schritt in einem riesigen Programm. Dieses Medikament ist ein Kohlenwasserstoff, der zu einer Familie von Molekülen gehört, die häufig zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden. Warum nicht das gleiche Verfahren auf die Herstellung von Biokraftstoffen anwenden? Durch den Ersatz der Gene, aus denen Bakterien Artemisinin hergestellt haben, durch Gene zur Herstellung von Biokraftstoffkohlenwasserstoffen haben Wissenschaftler bereits viele Mikroben hergestellt, die Zucker in Kraftstoff umwandeln.
Die Landwirtschaft ist eine weitere Branche, die von der synthetischen Biologie enorm profitieren kann. Theoretisch könnten wir die Gene, die für die Stickstofffixierung in Bakterien verantwortlich sind, in die Zellen unserer Kultur einbringen und ihren natürlichen Wachstumsprozess vollständig umkehren. Mit der richtigen Kombination von Genen könnten wir eine Kultur mit einem vollständigen Nährstoffspektrum anbauen, das weniger Wasser, Land, Energie und Dünger benötigt.
Die synthetische Biologie könnte auf die Herstellung völlig neuer Lebensmittel angewendet werden, beispielsweise von Duftstoffen durch Fermentation von modifizierter Hefe oder veganem Käse und anderen Milchprodukten, die ohne die Hilfe von Tieren hergestellt wurden.
"Wir müssen die Kohlenstoff- und Schadstoffemissionen reduzieren, weniger Land und Wasser verbrauchen, Schädlinge bekämpfen und die Bodenfruchtbarkeit verbessern", sagte Dr. Pamela Ronald, Professorin an der University of California in Davis. Die synthetische Biologie kann uns die Werkzeuge liefern, die wir brauchen.
Das Leben neu erschaffen
Übe beiseite! Eines der ultimativen Ziele der synthetischen Biologie ist die Schaffung eines synthetischen Organismus, der ausschließlich aus speziell entworfener DNA hergestellt wird.
Das Haupthindernis ist jetzt die Technologie. Die DNA-Synthese ist derzeit sehr teuer, langsam und fehleranfällig. Die meisten der vorhandenen Methoden ermöglichen es, einen DNA-Strang mit einer Länge von 200 Buchstaben herzustellen. normale Gene sind zehnmal länger. Das menschliche Genom enthält etwa 20.000 Gene, die Proteine produzieren. Die Kosten für die DNA-Synthese sind in den letzten zehn Jahren jedoch rapide gesunken.
Laut Dr. Drew Andy, einem Genetiker an der Stanford University, sind die Kosten für die Sequenzierung eines einzelnen Buchstabens von 4 USD im Jahr 2003 auf 3 Cent heute gesunken. Die geschätzten Kosten für den Druck aller 3 Milliarden Buchstaben des menschlichen Genoms betragen heute 90 Millionen US-Dollar, werden aber voraussichtlich über 20 Jahre auf 100.000 US-Dollar sinken, wenn der Trend gleich bleibt.
In den 90er Jahren begann Craig Venter, bekannt für seine führende Rolle bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms, nach dem Mindestsatz an Genen zu suchen, die zur Schaffung von Leben erforderlich sind. Zusammen mit Kollegen vom Institut für Genomforschung entfernte Venter Gene aus dem Bakterium Mycoplasma genitalium, um lebenskritische zu identifizieren.
Im Jahr 2008 setzte Venter diese „kritischen Gene“zusammen und stellte mithilfe der DNA-Synthese ein neues „minimales“Genom aus einer Brühe von Chemikalien zusammen.
Einige Jahre später transplantierte Venter ein künstliches Genom in ein zweites Bakterium. Die Gene wurzelten und "starteten" die Zelle neu, so dass sie wachsen und sich selbst reproduzieren konnte - es war der erste Organismus mit einem vollständig künstlichen Genom.
Vom Bakterium zum Menschen
Wenn das neue Unternehmen finanziert wird, werden die Experimente von Venter unter Verwendung unseres eigenen Genoms repliziert. Angesichts der Tatsache, dass das menschliche Genom etwa 5.000-mal größer ist als Venters Bakterien, ist es schwierig zu sagen, wie viel schwieriger diese Synthese sein könnte.
Selbst wenn alles andere fehlschlägt, wird die Branche wertvolle Erfahrungen sammeln. Laut Dr. George Church, leitender Genetiker an der Harvard School of Medicine, könnte dieses Projekt technologische Fortschritte eröffnen, die unsere eigene Fähigkeit verbessern, lange DNA-Stränge zu synthetisieren. Church betont sogar, dass das Hauptziel des Projekts die technologische Entwicklung ist.
Das Treffen der Wissenschaftler stieß jedoch auf große Skepsis. Dieses Projekt könnte jedoch eines Tages zur Schaffung von "Designer-Babys" oder sogar Menschen führen. Die Eltern solcher Menschen können Computer sein. Sich eine solche Zukunft vorzustellen ist einfach, aber beängstigend: Wie sicher ist es, Leben direkt zu manipulieren oder zu erschaffen? Wem gehört diese Technologie? Was tun mit einem Leben, das sich als erfolglos herausgestellt hat? Wird all dies nicht zu Diskriminierung und Ungleichheit führen?
ILYA KHEL
