Bioingenieure basteln an Leben 2.0

Nicht wenigen gilt die Gentechnik als moderner Sündenfall: Der Mensch greift in einem bislang nicht gekannten Maße in die Evolution ein, indem er artfremde Gene in Tiere und Pflanzen einbaut. Doch während Politik, Industrie und Öffentlichkeit noch immer über die möglichen Folgen streiten, bahnt sich in einigen Laboren etwas an, vor dem sich die bisherige Gentechnik wie ein Vorgeplänkel ausnimmt: Forscher wollen neue, künstliche Lebensformen erschaffen, die sich wie Maschinen programmieren lassen. Die sollen eines Tages in großem Stil Medikamente oder auch Wasserstoff für eine künftige Energieversorgung produzieren - und nebenbei einen weiteren Milliardenmarkt eröffnen.

"Synthetische Biologie" nennt sich das neue Forschungsgebiet. Sie soll die Biotechnik von einem mitunter hemdsärmeligen Laborhandwerk in eine echte Ingenieursdisziplin verwandeln. Die Denkweise dahinter beschreibt der US-Ingenieur Tom Knight vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), einer der Protagonisten des Feldes, so: "Der Biologe geht in sein Labor, untersucht ein System und stellt fest, dass es viel komplexer ist, als man bislang dachte. Er freut sich, dass er nun viel Zeit damit zubringen kann, diese Komplexität zu erforschen und Papers darüber zu schreiben. Der Ingenieur geht in sein Labor und stellt dasselbe fest. Seine Reaktion ist: ›Wie kann ich diese ganze Komplexität loswerden?‹"

Die "Komplexität" - das ist das kaum zu überblickende Zusammenspiel aus Genen, Enzymen und anderen Molekülen im Innern von Zellen, das bisher nur lückenhaft verstanden ist. Nach dem Vorbild von Elektro- und Computeringenieuren wollen die Synthetischen Biologen dieses nun in programmierbare Bioschaltkreise verwandeln. Als Versuchsmaterial dienen dabei derzeit einfache Bakterien wie Escherichia coli, das im Darm vorkommt, oder die Parasiten der Gattung Mycoplasma, die nur einige hundert bis tausend Gene haben.

Biobricks

Zwei Ansätze lassen sich unterscheiden, um diese Bakterien in Mikromaschinen zu verwandeln. Der Moderate: Man pflanzt ihnen standardisierte Genbausteine ein - so genannte Biobricks -, die die Einzeller zu Reaktionen veranlassen, die sie in der Natur nicht zeigen. Wie das gehen könnte, zeigten vor einiger Zeit Biologen an der Universität San Francisco. Sie fügten ins Genom eines Kolibakteriums zwei kurze Stränge aus dem Genmaterial DNS ein, so dass es in seiner Hülle lichtempfindliche Moleküle ausbildete. Die lösten bei Lichteinfall eine chemische Reaktionskette aus, die das Bakterium schwarz färbte. Dadurch wurde aus einer Kultur aus Kolibakterien ein biologisches Filmmaterial, in dem sich bei Belichtung durch ein Negativ das Bild abzeichnete.

Bislang gibt es nicht mehr als solche Demonstrationskonzepte, die noch keine praktische Anwendung haben. Forscher am MIT haben aber in einer Datenbank schon mehr als 2.000 solcher Biobricks gesammelt, die sich für neue Funktionen in Einzellern einsetzen lassen (http://parts.mit.edu). Andere Forscher könnten aus ihnen eine biologische Wirkungskette in der Zelle zunächst am Reißbrett entwerfen, so wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus Widerständen, Kondensatoren oder Dioden zeichnen. Anschließend würden die entsprechenden Genabschnitte ins Zellgenom eingebaut."Es geht darum, das Design einfacher zu machen und die Konstruktion solcher biologischen Systeme zu automatisieren", erklärt MIT-Forscher Drew Endy, einer der Gründer der Biobrick-Datenbank.

Das Minimalgenom

In der radikaleren Variante versuchen Forscher hingegen, das Genom eines Bakteriums zunächst auf ein Minimum zu reduzieren, das gerade noch die notwendigen Lebensfunktionen ermöglicht. Dann könnte man nach Belieben weitere Gene hinzufügen, die etwa die Produktion medizinischer Wirkstoffe auslösen. Diese Minimalbakterien werden inzwischen in Anlehnung an die Automobiltechnik auch als "Chassis" bezeichnet.

Besonders umtriebig ist hierbei das J. Craig Venter Institute aus Rockville im US-Bundesstaat Maryland, benannt nach seinem umstrittenen Gründer, der zeitgleich mit dem internationalen Human-Genom-Projekt das menschliche Erbgut sequenzierte. Bereits im vergangenen Jahr stellte das Institut eine Liste von 101 Protein kodierenden Genen des Bakteriums Mycoplasma genitalium vor, die nach derzeitigem Erkenntnisstand als überflüssig gelten. Aus den 382 restlichen und zusätzlichen Designer-Genen könnte man dann ein neues Genom synthetisieren.

Während dies technisch keine Probleme mehr bereitet, ist noch unklar, wie der Einbau eines solchen künstlichen Genoms in eine funktionierende Zelle gelingen könnte. Vor zwei Wochen haben die Forscher des Venter-Instituts ein Verfahren vorgestellt, das einen wichtigen Zwischenschritt darstellt. Es ist ihnen gelungen, in Bakterien der Art Mycoplasma capricolum ein fremdes Genom eines verwandten Bakteriums (Mycoplasma mycoides) zu transplantieren. Nach der Teilung der Wirtszelle fanden sie Tochterzellen des Ziegenparasiten, die ausschließlich das Spendergenom enthielten - ein Ergebnis, das man bislang nicht für möglich gehalten hatte. Damit stellt dieses Verfahren neben dem Klonen oder der Einschleusung fremder Gene eine ganz neue Art der Genom-Manipulation dar.

Zwar können sich die Wissenschaftler den genauen Mechanismus bislang nicht erklären, und die Ersetzung des Genoms erfolgt nur in einem von 150.000 Bakterien. Aber Hamilton Smith, einer der beteiligten Forscher, der das Verfahren auf der "Synthetic Biology 3.0"-Konferenz in Zürich präsentierte, ist sich sicher: "Diese Genom-Transplantation ist eine zuverlässige, reproduzierbare Prozedur."

Das Minimalbakterium soll eines Tages dazu eingesetzt werden, Wasserstoff und Ethanol zu produzieren. Damit will Institutschef Craig Venter einen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung leisten. Dass er hier vor allem auch handfeste ökonomische Interessen hat, offenbarte er allerdings kürzlich im US-Magazin Newsweek: "Wenn wir einen solchen Kraftstoff produzierenden Organismus machen würden, wäre das der erste Milliarden- oder Billionen-Dollar-Organismus."

Ein neues Biotech-Monopol

Wo so viel Geld im Spiel ist, sind Patente nicht weit. Und so meldete das Venter-Institut Ende Mai schon mal vorsorglich ein US-Patent auf ein solches Minimalbakterium an - Name: "Mycoplasma laboratorium". Der Inhalt der Patentschrift hat es in sich. Sie beansprucht Schutz nicht nur für die 381 Gene des Minimalgenoms und jeden Organismus, der auf ihrer Basis hergestellt wird. Auch jede andere synthetische Variante des Mycoplasma-Bakteriums, die auf mindestens 55 der 101 "unwesentlichen" Gene verzichtet, würde darunter fallen.

Jim Thomas von der kanadischen ETC Group, die seit Jahren Entwicklungen in Bio- und Nanotechnik kritisch begleitet, befürchtet, dass hiermit der Grundstein zu einem weit reichenden Monopol für die Biotechnik der Zukunft gelegt werden soll: "Die Frage ist: Wird Venters Unternehmen zu einem ›Microbesoft‹ der Synthetischen Biologie?" Es versuche, so Thomas, eine Art "Betriebssystem" für künftige Biomaschinen zu patentieren.

Venter selbst hat zwar erklärt, es handele sich nur um ein "Verfahrenspatent". In der Patentschrift würden jedoch auch explizit "frei lebende Organismen, die wachsen und sich replizieren" auf der Basis des zuvor aufgelisteten Minimalgenoms erfasst, hält Jim Thomas dagegen. "Es ist einfach nicht wahr, dass dieses Patent nur technische Verfahren betrifft", sagt er. "Wir glauben, dass ›Synthia‹, wie wir Venters Bakterium getauft haben, eine sehr viel größere Sache sein wird als das Klonschaf Dolly."

Die ETC Group wirft dem Venter-Institut auch vor, mit ihrer Patentanmeldung eine gesellschaftliche Grenze überschritten zu haben, ohne dass die Öffentlichkeit vorher in einer Debatte über die ethischen und ökologischen Konsequenzen synthetischer Lebensformen einbezogen worden sei. Ein Vorwurf, den Institutssprecherin Heather Kowalski zurückweist: "Wir haben mit zwei anderen Gruppen eine Technikfolgen-Studie erstellt, die nächsten Monat publiziert wird. Und die ETC Group hat an einer offenen Session zu diesem Thema im Mai teilgenommen."

Neue B-Waffen und Erreger?

Doch der Wettlauf um neue Patente und Monopole ist nicht das einzige Problem an der Synthetischen Biologie. Schlimmer noch: Die im Internet frei zugänglichen Gensequenzen der Biobricks könnten auch dazu missbraucht werden, ganz neue biologische Waffen zu schaffen. Gensequenzen lassen sich inzwischen deutlich preiswerter herstellen als noch vor einigen Jahren: Kosteten sie noch Ende der neunziger Jahre rund 15 Dollar pro Basenpaar - dem Grundbaustein aller Gene -, ist der Preis inzwischen auf bis zu 70 Cent gefallen. Ein "Bio-Hacker" könnte das nötige Genmaterial bei Firmen wie Geneart aus Regensburg oder Codon Devices aus Cambridge bei Boston bestellen und per Post in sein Labor geliefert bekommen.

Gautam Mukunda von der Boston University, der an einer Studie zur Sicherheit in der Synthetischen Biologie arbeitet, skizzierte auf der "Synthetic Biology 3.0"-Konferenz ein denkbares, wenn auch derzeit noch nicht realisierbares Szenario: Ein Bio-Hacker nimmt ein für das Immunsystem unerkennbares "Chassis", ein umprogrammiertes Genom, das Schlaf-auslösende Hormone produziert, und einen Mechanismus, der das Gebilde die Blut-Hirn-Schranke passieren lässt - und bekommt so ein Mittel, das Menschen in Tiefschlaf versetzt. Gerade solche nicht-tödlichen B-Waffen hält Mukunda für besonders gefährlich: "Sie könnten den seit Jahrzehnten bestehenden Konsens aufweichen, keine B-Waffen einzusetzen."

Anders als bei bisherigen neuen Technologien nimmt die Szene solche Risikoszenarien immerhin ernst. Um sie zu verhindern, seien unter anderem eine White List vertrauenswürdiger Firmen, Institutionen und Staaten, von denen Gensynthese-Unternehmen Aufträge annehmen können, eine Liste von Genen, die zu bekannten Erregern gehören, und eine international standardisierte Prüfsoftware für bestellte DNA-Sequenzen nötig, schlägt etwa Ralf Wagner von Geneart vor. Gautam Mukunda fordert darüber hinaus eine internationale Biosicherheitsorganisation und die Bereitschaft der Forschergemeinde, bestimmte Experimente bei einem neu erkannten Risiko auszusetzen.

Die ETC Group fordert allerdings, dass solche Vorkehrungen nicht von der Forschergemeinde selbst, sondern vom Gesetzgeber eingerichtet und überwacht werden. Denn, wie ETC-Mitglied Kathy Jo Wetter orakelt: "Die Investitionen in die neue Technologie werden die Bereitschaft der Synthetischen Biologen zu dem Sicherheitssystem letzten Endes aushebeln."

Unklar ist auch, was passiert, wenn gut gemeinte Designerbakterien in die freie Wildbahn gelangen. Könnten sie zu einem Krankheitserreger mutieren? Der Harvard-Biologe George Church setzt hier zum einen auf isolierte Sicherheitslabore, zum anderen auf - die Synthetische Biologie selbst. Man könnte Einzeller so entwerfen, dass sie außerhalb einer Laborkultur zugrunde gehen, weil sie nur dort die entscheidenden Nährstoffe bekommen, mit denen sie ihre Funktion erfüllen, so Church. Oder man programmiere ihnen eine Art Zeitzünder ein, der irgendwann automatisch den Zelltod herbeiführt.

Steve Benner von der University of Florida glaubt dagegen an die Schutzwirkung der Evolution, die irdisches Leben in Millionen von Jahren gestählt hat: "Die dreißigjährige Erfahrung mit genetisch veränderten Organismen hat gezeigt, dass sie im Vergleich zu ihren natürlichen Gegenstücken in natürlichen Umgebungen weniger fit sind." Aber die Biomaschinenbauer wären keine echten Ingenieure, wenn sie diesen kleinen Konstruktionsfehler ihrer Geschöpfe nicht auch noch beseitigen wollten.