Synthetische Biologie

 
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Definition

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

– 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).

Aktuell

2020: Künstliche Viren: Ein Dual-Use-Dilemma, das alle betrifft

Künstliche Viren sind essentiell für die Impfstoffentwicklung aber sie könnten auch als Biowaffe missbraucht werden. Daraus entsteht das sogenannte Dual-Use-Dilemma. Soll man Erkenntnisse der Wissenschaft veröffentlichen, welche Missbrauchsrisiken bergen können?

Im Hochsicherheitslabor des Bundes im bernischen Mittelhäuser haben Forschende der Universität Bern im vergangenen Jahr ein Rezept für den Nachbau des Corona-Virus entwickelt. Mit dem Nachbau des Corona-Virus wollten die Forschenden die Entwicklung von Medikamente und Impfstoffe erleichtern. Sie entschieden, dass der Nutzen einer Veröffentlichung die Missbrauchsrisiken überwiege, und haben das Rezept im Februar 2020 veröffentlicht. Auch die Schweizer Behörden stufen die Gefahr eines Missbrauch für kriminelle oder terroristische Zwecke als gering ein.

Doch die Covid-19-Pandemie zeigt, wie verwundbar moderne Gesellschaften gegenüber von Virusinfektionen sind. Daher haben jüngst sowohl der UN-Sicherheitsrat wie auch der Europarat-Ausschuss für Terrorbekämpfung vor der möglicherweise steigenden Gefahr von Anschlägen mit Biowaffen gewarnt.

Geschichte

2019

Britischen ForscherInnen ist es gelungen, Bakterien mit einem vollständig künstlich hergestellten Erbgut zu erschaffen. Ihr Genom umfasst vier Millionen Basenpaare, und sie besitzen einen vereinfachten genetischen Code.

Dezember 2018

Die Eidgenössische Fachkommission für biologische Sicherheit EFBS wie auch die deutsche Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit ZKBS äussern sich zu risikorelevanten Kriterien zur Beurteilung von Tätigkeiten im Bereich synthetischer Biologie und deren Regulierung.

November 2018

Gemäss Market Watch soll im Jahr 2020 das Marktpotential der Synthetischen Biologie 38 Milliarden Dollar übersteigen – verteilt auf Produkte, Technologien und Anwendungen. Bei den Produkten handelt es sich um Pharmaka, Chemikalien, Biokraftstoffe und Landwirtschaft. Die Technologien umfassen das Engineering von Genomen, DNA Synthese- und Sequenzierungsmethoden, Bioinformatik etc. Die Anwendungen betreffen Landwirtschaft, Pharmaka, Diagnostik, die Umwelt usw.

Dezember 2017

Ein Artikel im Deutschen Ärzteblatt äussert sich zur synthetischen Herstellung des Pferdepocken-Virus durch kanadische Mikrobiologen. Im Artikel ist zu lesen: „Das Experiment führt vor Augen, dass auch die menschliche Variante des Variolavirus sich auf einfache Weise synthetisieren liesse. Das humane Pockenvirus nachzubauen, ist zwar international geächtet. Doch lässt sich dies kaum kontrollieren. Labore sollen nicht mehr als ein Fünftel des Erbguts zusammensetzen, und DNA-Hersteller wie Geneart sind dazu angehalten, Bestellungen zu prüfen, um auszuschliessen, dass es um Erbgut gefährlicher Erreger geht“.

Dezember 2017

Die Synthetische Biologie (synthetisches Engineering des Genoms von Lebewesen) breitet sich rasant aus und löst erste ernsthafte Befürchtungen aus. Mitchell and Ellis (2017) zeigen in einem Artikel in der renommierten US-Zeitschrift “Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ die stürmische Entwicklung der Synthetischen Biologie in den letzten Jahren auf. Namentlich auf der Ebene von Viren würden die Möglichkeiten rasch ansteigen. Indem bereits mittels Synthetischer Biologie Humanpathogene hergestellt werden, werfe dies Fragen zur so genannten Dual Use Research of Concern (DURC) auf, welche besagt, dass die synthetische Herstellung eines Humanpathogens einerseits für die Forschung von Nutzen sein kann und andererseits auch ein Risiko im Bereich von Infektionskrankheiten darstellt und zu missbräuchlichen Anwendungen führen könnte.

November 2017

Forschungsvorhaben in der Synthetischen Biologie sind oft mit hohen Erwartungen und Chancen verbunden. Sie können unter Umständen aber auch bedeutende Risiken für die Sicherheit und Gesundheit von Mensch und Umwelt schaffen, indem riskante Experimente getätigt werden oder die Kenntnisse missbraucht werden, um beabsichtigt und gezielt Schäden zuzufügen. 2017 verursachte ein Forschungsergebnis grosses Aufsehen: Kanadische Forscher hatten mittels Synthetischer Biologie eine Pocken-Variante (Pferdepocken) im Labor erzeugt. Doch was mit Pferdepocken machbar ist, geht auch mit Pockenviren mit Pathogenität beim Menschen. Die Pocken beim Menschen gelten seit dem zuletzt dokumentierten Fall von 1977 als ausgerottet. Die Impfkampagnen wurden weltweit eingestellt, d.h. heute lebende Menschen sind nicht gegen das Pocken-Virus immunisiert.

Oktober 2017

Erfindungen aus der Synthetischen Biologie, die die Welt verändern könnten, stehen im Interesse von verschiedenen Berichterstattungen. So schreibt die Finanz- und Investitionsberatungs-Agentur „The Motley Fool“ über „Sauberes Fleisch“ aus der Tierzüchtung, Stickstoffanlagen welche mit Pflanzensamen funktionieren, die mit supereffizienten stickstofffixierenden Bodenmikroben umhüllt sind, Gasvergärungen mit Mikroben, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan effizient auffressen, genetische Impfungen mit CRISPR/Cas, die Erbkrankheit-verursachende Genmutationen ausrotten oder selbstreplizierende zellfreie Systeme. Crow (2017) beobachtet die Entwicklungen in der Synthetischen Biologie und berichtet über Pflanzen, die ihren Dünger gleich selber herstellen, über Impfstoffe, die via e-Mail durch Ausdruck von digitalen Konvertern verarbeitet werden können, über fleischloses Fleisch aus Bakterien, über bakteriell produzierte Kleider, über leistungsstarke Biofabriken sowie über das Schreiben von Genomen durch den Menschen.

März 2017

Einem grossen Zusammenschluss von Forschern ist es gelungen, fünf Hefechromosomen vollständig synthetisch herzustellen (Synthetic Yeast Genome Project). Die Grösse der fünf Hefechromosomen entspricht ungefähr 3.5 Millionen Basenpaaren der insgesamt 12 Millionen Basenpaare der Hefe Saccharomyces cerevisiae. Die Studie gilt als ein signifikanter Meilenstein auf dem Weg zur Kreation eines vollständigen eukaryotischen Genoms. Eukaryoten umfassen Lebewesen, die aus Zellen mit einem echten Zellkern aufgebaut sind. Die Teilsynthese des Hefegenoms steht im Zusammenhang mit früheren Versuchen, Leben zu synthetisieren und erweitert das Spektrum der Möglichkeiten der Synthetischen Biologie beträchtlich.

März 2017

Die Photosynthese von Pflanzen ermöglicht es, Sonnenlicht und gasförmiges Kohlendioxid einzufangen und sie in Form von energiereichen chemischen Verbindungen (Zucker) zu speichern. Forscher des Marburger Max-Planck-Instituts haben aus 17 Enzymen einen neuartigen Stoffwechselweg gebaut, der CO2 effizienter aus der Luft binden kann als die Photosynthese der Pflanzen. Damit ist ein Resultat der Synthetischen Biologie gelungen, das manchen Biologen als imposant erscheint: Die Photosynthese technisch nachzuahmen und sie sogar noch leistungsfähiger zu machen. Der Marburger Mikrobiologe Tobias Erb wurde im März 2017 für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Synthetischen Biologie mit dem Forschungspreis der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) geehrt.

Februar 2017

Das wichtigste internationale Abkommen zum Schutz der Biodiversität ist das im Jahre 1992 in Rio de Janeiro verabschiedete Übereinkommen der Biodiversitätskonvention (Convention on Biological Diversity, CBD). Im Dezember 2016 fand der 13. UN-Artenschutzgipfel in Cancun (Mexiko) der CBD statt. Eine Expertengruppe (Ad Hoc Technical Expert Group on Synthetic Biology) soll nun den Zusammenhang zwischen dem Schutz der Biodiversität und der Synthetischen Biologie bearbeiten. Unter anderem soll die Expertengruppe die neuen technologischen Entwicklungen in der Synthetischen Biologie beobachten und beurteilen, ob diese Entwicklungen zu Einwirkungen auf die Biodiversität führen können. Auch sollen jegliche lebenden Organismen, die bereits mittels Synthetischer Biologie entwickelt wurden oder derzeit erforscht werden, aber laut dem Cartagena Protokoll nicht unter die Definition von lebenden Organismen fallen, identifiziert werden. Zum Nutzen und zu nachteiligen Effekten von Komponenten oder Produkten der Synthetischen Biologie sollen Informationen für die Risikobeurteilung erfasst werden. Um potentiell negative Effekte auf den nachhaltigen Umgang mit der Biodiversität zu vermeiden, sollen Maßnahmen für den sicheren Gebrauch und Umgang mit Organismen, Komponenten und Produkten der Synthetischen Biologie erörtert werden.

Februar 2017

Ein Hauptthema der so genannten Bio-Hacker ist die Synthetische Biologie. Biohacking wird insbesondere in nicht abgesicherten privaten Räumlichkeiten (z.B. in Küchen, Kellern, Garagen oder Gemeinschafts-Labors) ausgeübt. Nun warnt das Deutsche Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL), dass sich Bio-Hacker unter Umständen strafbar machen, da für ihre Experimente das Gentechnikrecht gelten könne, falls die Organismen gentechnisch verändert sind. Solche Arbeiten dürfen laut dem deutschen Gentechnikgesetz nur in geeigneten, behördlich überwachten Laboratorien unter Aufsicht eines sachkundigen Projektleiters ausgeführt werden. Ein Zuwiderhandeln kann eine Geldbusse von bis zu fünfzig tausend Euro zur Folge haben und im Falle einer Freisetzung von gentechnisch veränderten Organismen droht sogar eine Freiheitsstrafe von bis zu drei Jahren.

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”.

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.

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.

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 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.

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.

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.