Synthetische Biologie

 
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Bild: Kolonien des transformierten Mycoplasma mycoides Bakteriums. J. Craig Venter Institute


Synthetische Biologie ist ein interdisziplinärer Forschungszweig. Sie gilt als die neueste Entwicklung der modernen Biologie und bezeichnet ein Forschungsgebiet, das Elemente der Molekularbiologie, der Chemie, der Computerwissenschaften und der Ingenieurswissenschaften verbindet. Der Synthetischen Biologie liegt die Idee zugrunde, dass sich Lebewesen kontrolliert und zielgerichtet umbauen bzw. konstruieren lassen. Im Vordergrund der Synthetischen Biologie stehen das Entwerfen und Herstellen von natürlicherweise nicht vorkommenden biologischen Systemen sowie die Rekonstruktion und der Nachbau bereits existierender biologischer Systeme. Im Unterschied zur Gentechnik werden somit nicht nur einzelne Gene von einem Spenderorganismus in einen Empfängerorganismus transferiert, sondern es werden vollständig künstliche biologische Systeme erzeugt.

Mögliche Anwendungsbereiche der Synthetischen Biologie sind:
– Medikamentenproduktion (synthetische Bakterien oder Hefe produzieren Medikamente).
– Medizin (synthetische Zellen für therapeutische Zwecke behandeln im Körper kranke Zellen und krankes Gewebe).
– Energiegewinnung: (Zellen, die nachwachsende Rohstoffe in Energie umwandeln).
– Umwelttechnologie (beispielsweise synthetische kohlendioxidbindende Bakterien zur Kohlendioxid-Reduktion).
– Materialproduktion: (Organismen für die Produktion von beispielsweise Plastik oder Textilien).
– Militärische Anwendungen (Entwicklung beziehungsweise Bekämpfung neuer biologischer Waffen).

Das EU-Projekt SYNBIOSAFE (Safety and ethical aspects of synthetic biology) soll sicherheitsrelevante und ethische Aspekte der synthetischen Biologie untersuchen.

Die Eidgenössische Ethikkommission für die Biotechnologie im Ausserhumanbereich EKAH bearbeitet ethische Aspekte der Synthetischen Biologie.

Dezember 2016

Die Convention on Biological Diversity CBD (Biodiversitätskonvention) arbeitet daran eine Arbeitsdefinition des Begriffs „Synthetische Biologie“ zu verabschieden. Eine technische Expertengruppe hatte eine Version erarbeitet, auf die man sich bei den Zwischenverhandlungen im April 2016 in Montreal nicht einigen konnte. Besonders Länder mit grossen Biotechnologiefirmen wehren sich gegen eine Definition, die bestimmte Techniken in eine Definition klar einschliesst und damit eine Regulierung nach sich ziehen würde. Vom 4. bis 17. Dezember 2016 tagten nun die Vertragsstaaten der UN-Biodiversitätskonvention CBD (COP 13) parallel mit denen des Nagoya-Protokolls (COP-MOP 2) und des Cartagena-Protokolls (COP-MOP 8). Man konnte sich auf eine (vorläufige, operationelle) Definition einigen (UNEP/CBD/COP/13/L34): “Synthetic biology is a further development and new dimension of modern biotechnology that combines science, technology and engineering to facilitate and accelerate the understanding, design, redesign, manufacture and/or modification of genetic materials, living organisms and biological systems”.

Juli 2016

Tyagi et al. (2016) publizierten einen Reviewartikel unter dem Titel: „Synthetic Biology: Applications in the Food Sector“. Die Autoren sind der Meinung, dass die Synthetische Biologie das Potential hat, das globale Lebensmittelsystem zu revolutionieren. Dazu würden auch synthetisch biologische Neuerungen in der Landwirtschaft gehören (wie beispielsweise Krankheitsbekämpfung, Biosensoren für die Detektion von Pathogenen oder neue Pestizide). Insgesamt hätten die Anwendungen der Synthetischen Biologie in der Landwirtschaft, der Medizin sowie bei Lebensmitteln und Kosmetika dazu geführt, dass nun die Synthetische Biologie ihren Einfluss auf die Lebensmittelindustrie weiter ausbreitet. Ein Beispiel sei die Milchproduktion, wo synthetische Eiweisse eine nutzbringende Wertsteigerung für die Konsumenten bringen können. Im Abstract der Publikation betonen die Autoren, dass mögliche Gefährdungen bei der Nutzung von Synthetischem Leben in der Wissenschaft und Politik beachtet werden müssen, um eine sichere Praxis im sich stets ausweitenden Feld der Synthetischen Biologie zu garantieren.

März 2016

Forscher des J. Craig Venter Institute berichten in der renommierten Zeitschrift Science über das Design und die Synthese eines minimalen bakteriellen Genoms. Die Wissenschaftler haben das Genom der synthetischen Zelle so weit wie nur möglich auf die essentiellen Gene für Leben reduziert. Bereits im Jahre 2010 gelang es ihnen, das Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides chemisch zu synthetisieren, welches nach Implantation in die DNA-freie Hülle des Bakteriums Mycoplasma capricolum funktionierte und sich replizierte. Sie nannten diese Bakterienzelle mit einer Grösse von 1079 Kilobasen JCV-syn1.0. Jetzt wurde dieses Genom auf 531 Kilobasen (531’560 Basenpaare) reduziert und enthält noch 473 Gene. Dieses synthetische Bakterium (JCV-syn3.0) enthält lediglich Gene für die Schlüsselprozesse, aber auch 149 Gene von unbekannter Funktion. Das Genom ist kleiner als jedes der bisher gefundenen, autonom replizierenden Zellen in der Natur.

Dezember 2015

Ein wissenschaftliches Komitee der Europäischen Kommission publiziert eine Stellungnahme zur Synthetischen Biologie mit dem Titel “Final Opinion on Synthetic Biology III: Risks to the environment and biodiversity related to synthetic biology and research priorities in the field of synthetic biology”. Das Dokument bezieht sich auf spezifische Umweltrisiken durch Organismen der Synthetischen Biologie und identifiziert die hauptsächlichen Wissenslücken, welche für eine vertrauenswürdige Risikobeurteilung beachtet werden müssten. Die Empfehlungen des Komitees gelten für die nähere Zukunft und sollen nach einigen Jahren überarbeitet werden.

Juni 2015

Das Woodrow Wilson Center eröffnet ein Inventar zu Produkten und Anwendungen der Synthetischen Biologie. Nach mehr als 20 Jahren von Forschung würden Anwendungen der Synthetischen Biologie an kommerzieller Nutzung gewinnen. Aber es sei schwierig festzustellen, welche und wie viele Produkte der Synthetischen Biologie auf dem Markt sind oder in nächster Zukunft den Markt erreichen würden. Das Inventar sei zwar nicht vollständig, würde aber den Konsumenten den bestmöglichen Einblick über die Firmen und Marktprodukte erlauben.

Mai 2015

Als genetischer Code werden die Regeln bezeichnet, aufgrund derer die Abfolge der Basen in der DNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Eine bestimmte Abfolge von drei DNA-Basen kodiert für eine bestimmte Aminosäure. Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Somit kann aus einem DNA-Abschnitt (einem Gen) der Bauplan eines Proteins abgelesen und umgesetzt werden. Der genetische Code ist universell und gilt für alle Lebewesen. Forscher der Synthetischen Biologie versuchen seit Jahren das genetische „Alphabet“, das aus den vier Buchstaben Cytosin („C“), Guanin („G“), Adenin („A“) und Thymin („T“) besteht, zu erweitern. Nun haben Forschungsgruppen von zwei neuartigen Nukleotiden (sie nennen sie „Z“ und „P“) mit denselben Eigenschaften berichtet. Diese könnten zukünftig die Entwicklung völlig neuer Eiweisse für medizinische Zwecke ermöglichen. Die Forscher fanden heraus, dass mehrere der neuen Nukleodid-Paare - genau wie C-G und A-T Paare - eine Doppelhelix formen können, welche genauso flexibel und robust ist wie natürliche DNA. Die Wissenschaftler zeigten auch, dass neuen Nukleodid-Paare mit natürlichen Nukleotiden kombiniert werden können, und dass DNA, die aus den 6 Buchstaben besteht, sich evolutiv weiterentwickeln kann.

März 2015

TA-SWISS, das Zentrum für Technologiefolgen-Abschätzung, führt in Bern einen Workshop zur Synthetischen Biologie durch. TA-SWISS hat die Berichterstattung über das neue Forschungsgebiet untersuchen lassen und will Themen diskutieren wie etwa: Welche grundlegenden Prinzipien stehen hinter der Synthetischen Biologie, und werden sie in der Berichterstattung der Massenmedien zutreffend wiedergegeben? Welche Sprachbilder kommen zum Einsatz, um das neue Wissenschaftsgebiet zu veranschaulichen? Wie wird im Labor mit Produkten der Synthetischen Biologie umgegangen? Aus welchen Gründen wird an ihr Kritik geübt – und ist es überhaupt vorstellbar, dass Synthetische Biologie zum Schutz der Umwelt beitragen kann?

August 2014

Die Firma Häagen-Dazs will Vanillearoma mittels Synthetischer Biologie in Eis einführen. Wegen einer Emailkampagne von Friends of the Earth und anderen NGO haben einige amerikanische Eishersteller, darunter General Mills und Nestlé erklärt, sie würden auf diese künstlichen Aromen verzichten.

Juni 2014

Waschmittel mit Algenöl aus Produktion mit Synthetischer Biologie geraten unter Kritik. Der belgische Wasch- und Reinigungsmittelhersteller Ecover hatte angekündigt, Palmöl in seinen Produkten teilweise durch Algenöl zu ersetzen. Produziert wird das Öl von Algen, deren Genom mittels Techniken der Synthetischen Biologie verändert wurde. In einem offenen Brief an Ecover fordern NGOs, diesen Entscheid für den Einsatz von Produkten aus „extremer Gentechnik“ zu überdenken.

Mai 2014

Die Zeitschrift Nature widmet der Synthetischen Biologie eine Spezialausgabe. Seit dem Aufkommen der Synthetischen Biologie sind 15 Jahre vergangen und man versucht seit dann, den Zellen neue Fähigkeiten zu verleihen. Mit der Synthetischen Biologie wurden die Grenzen der Biologie, welche die Natur vorgibt, durchbrochen. Mit den Werkzeugen der Synthetischen Biologie sei eine Freiheit des Designs von lebenden Organismen für die Biologen aufgekommen und selbst das Gesetz der Natur über die vier Buchstaben des DNA-Alphabets werde nun verändert.

Januar 2014

Hayden (2014) gibt in der renommierten Zeitschrift Nature einen Überblick über den Stand und die Trends von Produkten, welche mittels Synthetischer Biologie erzeugt werden. Der Artikel bezieht sich zuerst auf die Schweizerfirma Evolva aus Reinach, welche mit synthetisch hergestelltem Vanillin den ersten Lebensmittelzusatz der Synthetischen Biologie in die Supermärkte bringen will. Andere zu erwartende Produkte sind weitere Aromastoffe (Orange, Grapefruit) für Parfüms und Kosmetika. Eine wesentliche Produktionsabsicht liegt bei Feinchemikalien, darunter neue Biokraftstoffe oder erdölbasierende Produkte. Hoch im Trend – so auch bei Evolva – sind kalorienfreie Süssstoffe, unter anderem zur Verwendung in Cola-Getränken. Der Autor betont, es sei unklar, wie diese Produkte bei den KonsumentInnen ankommen werden. NGOs wie Friends of the Earth würden sich bereits kritisch äussern. Allerdings, so der Autor, müssten die Produkte nicht deklariert werden, da der mit Synthetischer Biologie manipulierte Organismus im Endprodukt nicht mehr vorhanden sei. Trotzdem sei der Übergang zu Lebensmittelprodukten eine Gefahr für die Akzeptanz der Synthetischen Biologie wegen der Ablehnung durch Konsumenten und Konsumentinnen.

September 2013

Die NGO Friends of the Earth berichtet kritisch über die Produktion von einem Vanille-Aromastoff, der mittels Synthetischer Biologie hergestellt wurde. Die „Synbio vanilla“ soll das natürliche Vanillin aus den Kapselfrüchten der Gewürzvanille ersetzen. Produziert wird die synthetische Vanille durch Verwendung synthetischer DNA und gentechnisch veränderter Hefe. Es ist der erste Lebensmittelzusatz, der mit Synthetischer Biologie produziert wurde und als „natürlich“ gekennzeichnet wird.

Juli 2012

Valentine et al. (2012) kommen zur Aussage, dass die Atomspaltung und die Synthetische Biologie gemeinsame Charakteristika teilen. Als am 16. Juli 1945 in der Wüste von New Mexico die erste Atombombe explodierte, fand ein entscheidender Moment in der Geschichte der Physik statt, welche unausweichlich die Welt veränderte. Als im Jahre 2010 das J. Craig Venter Research Institute in den USA das erste künstlich geschaffene, synthetische Genom in eine entleerte Mykoplasmazelle einfügte, wurde erstmals gezeigt, dass neue, vom Menschen geschaffene Organismen überleben und sich reproduzieren können. Dieses kolossale Resultat der Biologie stellen die Autoren historisch auf dieselbe Stufe des wissenschaftlichen Fortschritts wie derjenige der ersten Atombombe. Beide Entwicklungen können, so die Autoren, weitreichende Folgen für die Gesellschaft, die Wissenschaft und die Politik haben.

März 2012

James Collins, der als einer der Gründer der Synthetischen Biologie angesehen wird, beschreibt in einem Artikel der Zeitschrift Nature, dass Forscher in der Synthetischen Biologie Gene und Proteine als Bausteine verwenden und macht den Vergleich mit Lego-Bausteinen, mit denen Kinder verschiedene Strukturen aufbauen können. Vergleichbar gelingt es der Synthetischen Biologie, mit biologischen Bausteinen neuartige Zellen und neue Funktionen der Zellen zu schaffen. Damit können Organismen mit neuen Merkmalen kreiert werden. Collins nennt als Beispiele Bakterien, welche Ölverunreinigungen reinigen können, Pflanzen, die infektionsfrei bleiben oder Zellen, welche neuartige Materialien produzieren.

September 2011

Die renommierte Wissenschaftszeitschrift Science publiziert ein Spezialheft zur Synthetischen Biologie. In der Einleitung wird festgehalten, dass Biologen das Genom seit der Entdeckung der DNA-Moleküle im Jahre 1972 manipulieren. Trotz zunehmenden Kenntnissen seien dem Machbaren aber noch Grenzen gesetzt. Doch jetzt erweitere die Synthetische Biologie die bisherige Beschränkung auf Eingriffe einzelner Gene und werde die Konstruktion ganzer DNA-kodierter Stoffwechselwege ermöglichen, welche sodann für die Kontrolle des Zellverhaltens programmiert werden können.

Mai 2010

Das J.C. Venter Institute berichtet über die erste selbstreproduzierende synthetische Bakterienzelle (Mycoplasma mycoides).

Januar 2008

Das Craig Venter Institut stellt erstmals das Erbmaterial eines Bakteriums rein synthetisch her. Nachgebaut wurde das Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalium, welches das kleinste bisher bekannte Genom (582’970 Basenpaaren) eines kultivierbaren Bakteriums aufweist.

Oktober 2005

Das Erbgut des Spanischen Grippevirus 1918, das in den Jahren 1918-1919 20 bis 50 Millionen tötete, wurde teilweise rekonstruiert. Das synthetisierte Virus reproduziert sich, ist virulent und pathogen.

  • externer Link: Science (Abstract)

November 2003

Ein Forscherteam rund um Craig Venter baut in nur 14 Tagen den Bakteriophagen Phi-X174 zusammen.

August 2002

US-Forscher stellen erstmals de novo den Erreger der Kinderlähmung (Poliovirus) künstlich her. Die zur Synthese verwendeten Bausteine stammten aus einer öffentlichen Datenbank. Das synthetische Virus zeigte pathogene Eigenschaften des natürlichen Poliovirus.

Convention Die Biodiversitäts-Konvention (Übereinkommen über die biologische Vielfalt; Convention on Biological Diversity, CBD) ist ein am 29. Dezember 1993 in Kraft getretenes internationales Umweltabkommen. Inzwischen ist das Übereinkommen von 193 Vertragsparteien unterzeichnet und auch ratifiziert worden. Die Schweiz hat es am 21. November 1994 ratifiziert. Bild: https://www.cbd.int/.

Diesen Dezember findet in Cancun (Mexiko) die 13. COP (Conference of the Parties) der Biodiversitäts-Konvention (CBD) statt. Im Rahmen des Abkommens wird bereits seit mehreren Jahren über die Synthetische Biologie diskutiert. Die CBD ist das einzige internationale Organ, das sich mit der Regulierung der rasant wachsenden Synthetischen Biologie befasst. An der 13. COP erhofft man sich eine ständige Kontrolle über die Entwicklungen in der Synthetischen Biologie zu etablieren und eine Regulierung der Synthetischen Biologie einzuführen.

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Sind Produkte der Synthetischen Biologie in unseren Lebensmitteln und Kosmetika? Ein Einkaufsratgeber von SynBioWatch gibt Antworten. Bild: http://www.synbiowatch.org

Ein Einkaufsratgeber von SynBioWatch will Konsumentinnen und Konsumenten aufzeigen, bei welchen Produkten beim Herstellungsprozess Synthetische Biologie im Spiel ist. Der Einkaufsratgeber erklärt, welche dieser auch als GVO 2.0 bezeichneten Produkte bereits in den Läden angeboten werden oder auf dem Weg in den Vertrieb sind. Im Ratgeber werden Bedenken gegenüber solchen Produkten geäussert, insbesondere aufgrund von Lücken bei Sicherheitstests, fehlender Deklaration und den negativen Einflüssen auf bäuerliche Kleinbetriebe. Der Ratgeber enthält auch Hinweise, wie ein Kauf soclher Produkte vermieden werden kann, wobei der Kauf von Bioprodukten die sicherste Möglichkeit darstellt. Auch Produkte mit "Nicht-GVO"-Zertifikaten sind sicher, sofern Zutaten aus der Synthetischen Biologie unter diesen Zertifikaten nicht erlaubt sind.

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Sortieren von Vanilleschoten auf Madagaskar. Nur noch etwa 1% des heute verwendeten Vanille-Aromas ist echte Vanille.
Bild: en.wikipedia.org. Photo by Jonathan Talbot, World Resources Institute. 2001.

Der Synthetischen Biologie liegt die Idee zugrunde, dass sich Lebewesen kontrolliert und zielgerichtet umbauen bzw. konstruieren lassen. Mit der Synthetischen Biologie werden anders als bei der klassischen Gentechnik nicht einzelne, aus Spenderorganismen isolierte, Gene in einen Empfängerorganismus übertragen, sondern es werden ganze biologische Elemente wie Stoffwechselwege in Mikroorganismen (bspw. Hefe) eingefügt. Zellen, die mit Hilfe von Synthetischer Biologie zu biologischen Fabriken umgewandelt wurden, sollen Produkte liefern, die von der Kosmetik, über Waschmittel bis zu Lebensmittelzusätzen reichen.

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Auf die Entschlüsselung der 3 Milliarden Basenpaare des Humangenoms soll die Synthese eines künstlichen Humangenoms folgen. Bild: de.wikipedia.org.

Im Mai 2016 trafen sich an der Harvard Medical School in Boston gegen 150 Wissenschaftler, Anwälte und Unternehmer. Hinter geschlossenen Türen wurde diskutiert, ob es wünschbar und machbar sei, ein menschliches Genom von Grund auf künstlich zu synthetisieren und damit die Voraussetzungen für einen Menschen aus dem Labor zu schaffen. Vorangegangen war das 1990 lancierte Humangenomprojekt, welches das Ziel hatte, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln, das heisst die Abfolge der etwa 3 Milliarden Basenpaare der menschlichen DNA auf ihren einzelnen Chromosomen zu identifizieren. Im Jahr 2001 wurde die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms verkündet und das Jahr 2003 gilt als der Zeitpunkt der endgültigen Fertigstellung der Entschlüsselung des Humangenoms (heute bezeichnet als Human-Genome-Project Read (HGP-Read)).

17.06.2014 | Synthetische Biologie

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Im Amazons wird Eukalyptus auf riesigen Kahlschlagflächen angebaut. Bild: Greenpeace/Beltra

Eine Gruppe von Forschern hat das Genom von Eukalyptus entschlüsselt. Dabei fanden sie mögliche Hinweise, wieso diese Baumart so schnell wächst. Etwa ein Drittel der für die Proteinproduktion zuständigen Gene sind - aneinander gereiht - doppelt vorhanden. Eukalyptus kann schon nach sieben Jahren für die Papierherstellung abgeholzt werden. Die Forscher um Alexander Myburg von der Universität Pretoria in Südafrika fanden zudem, dass Eukalyptus unter allen bisher untersuchten Pflanzen die größte Anzahl von Genen für die Bildung sogenannter sekundärer Pflanzenstoffe besitzt. Diese Stoffe, vor allem Terpene und verschiedene leicht flüchtige Öle, schützen die Pflanzen vor Insekten und Bakterien. Sie erhöhen aber auch die Gefahr von Waldbränden, da sie leicht entflammbar sind. Eukalyptus stammt ursprünglich aus Australien. Mittlerweile ist es die am häufigsten angebaute Baumart mit grossflächigen Monokulturen. Diese Art des Anbaus hat mehrere Nachteile: die Bäume entnehmen dem Boden viel Wasser und Nährstoffe und können den Grundwasserspiegel senken. Plantagen führen zudem zu einem Rückgang von Naturwäldern und der Biodiversität. Genutzt werden die Bäume von der Holz- und der Papierindustrie, aber auch die Eukalyptusöle sind gefragt.