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Forschung im Grenzbereich: Keine Angst, wir schaffen Leben

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Es klingt ein bisschen nach Frankensteins Labor: Studenten der TU München wollen Bakterien so steuern, dass sie Knochenproteine fabrizieren. Obwohl manche ihre Arbeit zum Gruseln finden, forschen die Biotechnologen weiter. Nun klopfte bei ihnen sogar die Nasa an.

Irgendwann kann jeder Leben bauen, davon ist Drew Endy überzeugt. "Du tippst einfach vorn was in den Laptop", hat der Ingenieur von der kalifornischen Stanford University einmal gesagt, "und hinten kommt ein Organismus raus." Selbst seine Kinder könne man sich dann am Rechner basteln: "Sie nehmen dazu Ihr Erbgut und kombinieren es nach Wunsch mit dem eines Partners. Oder, wenn Sie Lust haben, auch mit dem von mehreren."

Drew Endy ist einer der Stars im Fach Synthetische Biologie, und was er erzählt, macht manchen Leuten Angst. Er will Kreaturen nach Maß erschaffen. Das klingt nach Science-Fiction - aber Endy hat einen raffinierten Weg gefunden, junge Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu zu bringen, an seinem Traum zu arbeiten: Gemeinsam mit zwei Kollegen lobte er den iGem-Wettbewerb aus, eine Art Weltmeisterschaft für Studenten im Erfinden künstlichen Lebens, zu dem, alljährlich im Herbst, das Massachusetts Institute of Technology (MIT) im amerikanischen Cambridge bittet.

Marta Garnelo, 21, studiert im fünften Semester Molekulare Biotechnologie und ist Mitglied im Team der TU München: 18 Studenten, die es geschafft haben, in die iGem-Endausscheidung zu gelangen. Sie und ein Kollege werden am MIT der Jury erklären, wie aus zwei Lasern und vielen Bakterien einmal ein 3-D-Drucker für Knochen entstehen soll. "Unsere Idee ist es, Organismen über Lichtstrahlen zu kontrollieren", erklärt Garnelo. "Nur dort, wo die Laser treffen, beginnen die Bakterien, Proteine für Knochen zu produzieren." Doch die Studentin räumt ein: Die Herausforderungen seien groß, und die Konkurrenz ist es ebenfalls.

160 Teams aus Ländern wie China, Mexiko und Schweden hatten sich dieses Jahr für den Wettkampf angemeldet, 66 durften nach Cambridge. Darunter zwei weitere deutsche Unis. Bielefeld tritt mit Bakterien an, die Gifte aufspüren; Potsdam mit Molekülen aus Blaualgen, die krankmachende Proteine hemmen.

Andere Gruppen haben an Kreaturen gearbeitet, die Arsen in Flüssen aufspüren oder aufflackern, wenn das Essen zu scharf ist. Frühere iGem-Gewinner bauten einen lebenden Bildschirm: Fließt Strom, leuchten Hefezellen in den Löchern einer Platte wie Pixel am Monitor.

Das Münchner Team, eine Gruppe aus Biochemikern, Biotechnologen und Mathematikern, hat den ganzen Sommer über an seinen bakteriellen Biomaschinen gearbeitet. Manchmal saßen Garnelo und die anderen bis abends um elf Uhr im Labor, bestellten Pizza, kochten Kaffee und grübelten weiter.

Erfolge sind nur mühsam zu erringen

Schon lange können Wissenschaftler Gene in bestehende Organismen einschleusen, etwa Schädlingsresistenz in Mais. Doch Drew Endy und seine Kollegen wollen nicht Fertiges verändern, sondern Neues konstruieren. Geht es nach Endy, ist das Bakterienbasteln bald so leicht wie Lego-Spielen. 2003 richtete er eine Datenbank ein, in der mittlerweile über 3000 Bauklötze liegen, sogenannte Biobricks. Wer mitbauen möchte, kann hier Gene für Lichtsensoren, Enzyme oder fluoreszierende Proteine bestellen.

Jede Forschergruppe, die bei iGem mitmacht, bekommt zum Start eine Auswahl aus Endys Biobaukasten. Im Gegenzug schicken die Studenten jeden Bauklotz, den sie selbst herstellen, zurück ans MIT und errichten auf diese Weise gemeinsam einen riesigen Katalog aus Biobausteinen.

Die Möglichkeiten der Synthetischen Biologie sind enorm, wirkliche Erfolge jedoch mühsam zu erringen.

"Man stellt sich das auf dem Papier so schön vor, und in der Physik würde es wohl funktionieren", sagt Alexander Hogrebe, ein 20-jähriger Biochemie-Student aus dem TU-Team. Inzwischen aber habe er gelernt: "Das gilt nicht für Lebewesen."

Es ist schwierig vorauszusagen, wie die Organismen auf die fremde DNA reagieren. Die Bakterien nehmen manchmal gar keinen der Bausteine auf oder die falschen. Die veränderten Mikroben vermehren sich mitunter nur langsam, oder ihr Stoffwechsel spielt verrückt. Vieles lief bei den Münchnern anfangs schief. Die Studenten wälzten Fachaufsätze, schrieben Forscher an und fragten sich immer wieder: Warum klappt es nicht?

Am Image arbeiten

"Wir wollten schon aufgeben", sagt Garnelo. Sie war auf dem Weg nach Spanien, wo ihre Eltern leben, da gaben ihr die anderen durch: endlich einen Schritt weiter!

Sie schafften es schließlich, die Bakterien zu verändern. Wo sich ein roter und ein blauer Lichtstrahl kreuzen, produzieren die Organismen nun Proteine. Allerdings noch kein Knochenmaterial, sondern Stoffe, die fluoreszieren. Auch Laser mussten sie weglassen - sie waren zu teuer. Die Studenten konnten nur die Grundzüge ihrer Idee umsetzen. "Die Zeit war zu knapp", sagt Garnelo. Dennoch, die Münchner überzeugten in der europäischen Vorrunde und stachen andere große Unis aus. "Cambridge ist draußen", bemerkt einer von ihnen lächelnd.

Als Nächstes geht es nun zur Weltmeisterschaft. Die Teams können ihre Experimente aus der Vorrunde bis dahin weiterführen und verbessern. Allerdings bleiben ihnen dafür nur wenige Wochen Zeit. Dann sperrt das MIT den Zugang für die iGem-Seite. Was bis dahin nicht online ist, wird die Jury nicht bewerten. Ein paar der Studenten stehen im Labor, weißer Kittel, blaue Handschuhe. Mit ruhigen Händen pipettieren sie eine klare Flüssigkeit von einem Reagenzglas zum nächsten. Vor ihnen liegt ihr Experiment, eine kleine weiße Box, umwickelt mit Klebeband. Ein blaues und ein rotes LED-Lämpchen baumeln durch eine Öffnung im Deckel. Im Kasten liegen zwei Röhrchen, und darin schwimmen in einer klaren gelblichen Flüssigkeit die Bakterien. "Ein bisschen handmade", nennen sie ihren Aufbau liebevoll.

Dabei sind Experimente nicht die einzige Möglichkeit, Punkte zu sammeln. Wichtig ist es der MIT-Jury auch, dass die Jungforscher am Image der Disziplin arbeiten. Also besuchten die Münchner Kindergärten und zeigten den Mädchen und Jungen Wasserflöhe unter dem Mikroskop. Sie malten einen Comic und diskutierten mit der Klasse eines Gymnasiums über die Risiken ihrer Versuche.

Die Forscher geben nicht auf

Frankenstein-Monster, Gott spielen, der Natur ins Handwerk pfuschen. Sie wissen, dass sich manche Menschen gruseln, glauben aber, eine Lösung gefunden zu haben, und die heißt Aufklärung. Wenn die Menschen besser verstünden, was in der Wissenschaft vor sich geht, würden sie die Angst davor verlieren. Aber darf alles möglich sein? "Wenn nicht die Naturwissenschaft die Grenzen setzt, dann die Gesellschaft", sagt Jungforscher Wolfgang Ott, 24, und seine Kollegen nicken.

Wer an iGem teilnimmt, lernt, dass es um mehr geht als um die Designerkreatur. Die Studenten müssen ihre Arbeit reflektieren, sich präsentieren, organisieren und vor allem: andere dafür begeistern.

Es galt, Zehntausende Euro für das Projekt aufzubringen. Flüge in die USA, Unterkünfte, 1500 Euro kostete allein die Anmeldegebühr für das Team, weitere 170 Euro jeder einzelne Teilnehmer, jeweils bei der Vorrunde und bei der Weltmeisterschaft. Die Uni, Firmen und eine Stiftung unterstützen sie.

Dennoch fliegen schließlich nur 14 der 18 Studenten in die USA. Dort läuft es anfangs gut für die TU München. Keine Patzer beim Vortrag, ein gelungenes Poster, dennoch reicht es am Ende nicht. Auch die anderen deutschen Unis gelangen nicht ins Finale. Es siegt die University of Washington mit Bakterien, die Biosprit herstellen, und einem Enzym, das vor einer Entzündung der Darmschleimhaut schützen soll.

An der TU München nimmt man es gelassen. "Wir haben sowieso nicht damit gerechnet, unter die ersten vier zu kommen", sagt Maximilian Weitz, einer der wissenschaftlichen Betreuer des Teams. Aber man bleibe dran am Projekt. Eine Frau der Nasa sei zudem auf sie aufmerksam geworden. Sie habe angedeutet, die Idee in ihrem Labor weiterentwickeln zu wollen.

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Olaf 01.02.2012
Zitat von sysopEs klingt ein bisschen nach Frankensteins Labor: Studenten der TU München wollen Bakterien so steuern, dass sie Knochenproteine fabrizieren. Obwohl manche ihre Arbeit zum Gruseln finden, forschen die Biotechnologen weiter. Nun klopfte bei ihnen sogar die Nasa an. http://www.spiegel.de/unispiegel/jobundberuf/0,1518,803952,00.html
Na, da werden die Öko-Taliban schon einen Riegel vorschieben. Gut für die USA und die NASA. Das modernste Produkt an dem in Deutschland gearbeitet und geforscht werden darf, bleibt die Windmühle.
2.
lotoseater 01.02.2012
Danke liebes SPON-Team. Ihr seid auf dem richtigen Weg, direkt mit Forschern zu reden und euch deren Arbeit erklären zu lassen. Denn das hier ist doch der wesentliche Punkt, warum die Menschen in Deutschland heutzutage oft so wissenschaftsfeindlich reagieren: ---Zitat von Artikel, Wolfgang Ott--- Wenn die Menschen besser verstünden, was in der Wissenschaft vor sich geht, würden sie die Angst davor verlieren. ---Zitatende--- Aber sowas hier hätts echt nicht gebraucht: ---Zitat von Artikel--- Manchmal saßen Garnelo und die anderen bis abends um elf Uhr im Labor, bestellten Pizza, kochten Kaffee und grübelten weiter. ---Zitatende--- Das ist doch grade so ein dümmliches Klischee, das mit der Realität wenig zu tun hat (zumindest in den Naturwissenschaften). Rumsitzen und Grübeln. Und dabei Kaffee und Pizza zu sich nehmen. Zum Grübeln sitzt man nicht im Labor, da führt man Experimente durch und wertet die daraus gewonnenen Daten aus.
3.
lumich 01.02.2012
Zitat von OlafNa, da werden die Öko-Taliban schon einen Riegel vorschieben. Gut für die USA und die NASA. Das modernste Produkt an dem in Deutschland gearbeitet und geforscht werden darf, bleibt die Windmühle.
:o) Sehr guter Kommentar! Das unterschreibe ich so... Ich bin ebenfalls Naturwissenschafter und lebe/arbeite/forsche im Ausland weil es in Deutschland (leider) nicht geht. Man kann ja gegen diese Art der Forschung sein aber sie aus dem Land zu kehren hilft nicht wirklich in dieser globalen Welt-dann wird eben ganz einfach in anderen Ländern geforscht. Allerding ist dadurch die Chance zur Mitgestaltung sinnlos verloren. Dialog und Vermittlung, nicht aber Ausgrenzung, sind das einzig vernünftige. Das gilt für beide Seiten - Wissenschaftler und Gegner dieser Techniken.
4.
imagewiper 01.02.2012
Zitat von lotoseaterDanke liebes SPON-Team. Ihr seid auf dem richtigen Weg, direkt mit Forschern zu reden und euch deren Arbeit erklären zu lassen. Denn das hier ist doch der wesentliche Punkt, warum die Menschen in Deutschland heutzutage oft so wissenschaftsfeindlich reagieren: Aber sowas hier hätts echt nicht gebraucht: Das ist doch grade so ein dümmliches Klischee, das mit der Realität wenig zu tun hat (zumindest in den Naturwissenschaften). Rumsitzen und Grübeln. Und dabei Kaffee und Pizza zu sich nehmen. Zum Grübeln sitzt man nicht im Labor, da führt man Experimente durch und wertet die daraus gewonnenen Daten aus.
Soso. Und Du empfiehlst also wildes Herumpipettieren ohne entsprechende Planungsarbeit? In welcher Zeit hast Du denn studiert? Eine Versuchsplanung ohne Recherchen, Bioinformatik-Tools etc und entsprechendes Gruebeln zum Zwecke des Designs einfacher aber aussagekräftiger Experimente ist essentiell und nicht Nebensache. Zwar verkommt biologische Forschung derzeit massiv, nicht zuletzt durch angebliche Vorbildinstitutionen wie das European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, da immer mehr auf quasi-Sklavenarbeit, schnelle Publikationen, Frischfleisch-Ausbeutung und quick-and-dirty-Experimente gesetzt wird. Dies kann jedoch nicht bedeuten, dass dies widerspruchslos hingenommen werden darf. Wesentliche Entdeckungen entstehen vor allem durch Zufall, jedoch ist die Wahrscheinlichkeit meist auf Seiten der Grübler, nicht notwendigerweise auf Seiten der "Screener" (die Dummen-Methode, scanne alle Gene/Transkripte nach Eigenschaft xy, sortiere alles wichtige heraus und lande bei irrelevanten subsets, versuche anschliessend eine Story drueberzubuegeln - durch solche Idioten werden Forschungsergebnisse WERTLOS, da hier nur p-Wert-Jonglage betrieben wird, ohne Inhalt!!!! Dann doch lieber erst gruebeln...). Nein, ich denke, in allen ernsthaften Forschungsinstitutionen mit ansatzweise teamorientierter Arbeitsweise wird zwar viel experimentiert, aber ebensoviel vorbereitet und nicht nur statistisch ausgewertet wenn es zu spät ist. Das provoziert nur Fälschungen, und das ist das worst case scenario, vermutlich recht weit verbreitet, dank EMBL und Max-Planck-Gesellschaft. Man sollte mehr Aufmerksamkeit in die Fähigkeit zum Gruebeln legen! Das mag gefährlich sein, in der heutigen Zeit, aber nicht so gefährlich wie für Archimedes oder Sokrates. Ersterer hat bewiesen, welche Macht das Gruebeln für praktische Experimente und Anwendungen hat. Darueber sollten einige Leute, besonders im Deutschen Forschungsrat und ähnlichen Gremien einmal GRUENDLICH nachdenken...
5. Raum zum Gruebeln
imagewiper 01.02.2012
Zitat von lotoseaterDanke liebes SPON-Team. Ihr seid auf dem richtigen Weg, direkt mit Forschern zu reden und euch deren Arbeit erklären zu lassen. Denn das hier ist doch der wesentliche Punkt, warum die Menschen in Deutschland heutzutage oft so wissenschaftsfeindlich reagieren: Aber sowas hier hätts echt nicht gebraucht: Das ist doch grade so ein dümmliches Klischee, das mit der Realität wenig zu tun hat (zumindest in den Naturwissenschaften). Rumsitzen und Grübeln. Und dabei Kaffee und Pizza zu sich nehmen. Zum Grübeln sitzt man nicht im Labor, da führt man Experimente durch und wertet die daraus gewonnenen Daten aus.
... Nachtrag: In der REALITÄT teilen sich oft 2-3 PhD-Studenten und/oder Postdocs die selbe "bench", und ein eigener Schreibtisch ist nicht garantiert, so dass das Gruebeln oft im Gemeinschaftsraum (wenn vorhanden) oder eben im Labor selbst auf den üblichen "Barhockern" stattfindet. Inhaltlich bleibt zu sagen, dass es naiv ist zu glauben, man könnte einfach losexperimentieren und keine Bleistift-und-Papierarbeit hereinstecken. Schlichtweg Unsinn. Siehe anderer Kommentar. Diese Ansicht ist (besonders unter unerfahrenen Gruppenleitern) keine Seltenheit, muss aber unweigerlich zum Scheitern führen, was bedeutet, dass Jahre der Forschung ins Nichts laufen können, weil der notwendige Konzeptions- und stetige Anpassungsprozess (Gruebelarbeit hoch drei, insbesondere wenn etwas unerwarteterweise ganz anders kommt, als zu erwarten war, was der Normalfall ist). Es bedarf natuerlich auch praktisch begabter Menschen, das sind aber meist Technicians, weniger die Wissenschaftler, aus naheliegenden Gruenden.
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Heft 6/2011 Marina Weisband studiert Psychologie und führt die Geschäfte der Piratenpartei

Meilensteine der Synthetischen Biologie
1970 Gen-Synthese I
Kan Agarwal und Gobind Khorana von der University of Wisconsin gelingt es erstmals ein Gen vollständig zu synthetisieren. Das Hefe-Gen besteht nur aus 75 DNA-Bausteinen , der Arbeitsaufwand beträgt 20 Personenjahre. Das DNA-Stück enthält den Bauplan für ein Molekül, das Eiweißbausteine transportiert.
1984 Gen-Synthese II
Steven Brenner und Kollegen fügen das erste Gen zusammen, das die Bauanleitung für ein Eiweiß enthält. Zwei Wissenschaftler arbeiten eineinhalb Jahre, um die 330 DNA-Bausteine zusammenzufügen.
1995 Minimal-Genom I
Der US-Forscher Craig Venter und sein Team sequenzieren das kleinste Genom eines freilebenden Organismus. Das Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalium, das beim Menschen Harnröhren-Infektionen verursachen kann, enthält nur 517 Gene. Mycoplasmen werden zu Modelorganismen der Synthetischen Biologie.
1999 Minimal-Genom II
Wie viel Gene sind entbehrlich? Dieser Frage geht Craig Venter beim Bakterium Mycoplasma genitalium nach. Sein Team kommt zu dem Schluss, dass von den 480 eiweißcodierenden Genen rund 180 für das Überleben nicht essentiell sind. Genauere Analysen werden 2006 ergeben, dass mindestens 382 Gene vorhanden sein müssen.
2002 Virus-Synthese
Mit Hilfe eines genetischen Bauplans aus öffentlichen Datenbanken bauen Jeronimo Cello und Eckard Wimmer von der State University of New York das Erbgut eines Polio-Virus zusammen. Die Bausteine dafür lassen sie sich per Post schicken. Den im Labor innerhalb von drei Jahren entstandenen Erreger der Kinderlähmung injizieren sie Mäusen, die daraufhin krank werden.
2004 Wettbewerb der Genombastler
Zum ersten Mal findet die iGEM-Competition am Massachusetts Institute of Technology (MIT) statt. Studenten des MIT sollen mit Hilfe von Bio-Bausteinen wie Gen-Schaltern und Genen neuartige Mikroorganismen basteln. Bald wächst die Veranstaltung zu einem internationalen Wettbewerb.
2006 Bierhefe produziert Malaria-Medikament
Am California Institute of Quantitative Biomedical Research schafft es ein Team um Jay Keasling Bierhefe dazu zu bringen, das Malaria-Medikament Artemisinin herzustellen. Massive Eingriffe ins Erbgut der Hefe sind nötig: Gen-Aktivitäten werden erhöht, Gene eingefügt und ausgetauscht. Die spezifische Artemisinin-Produktivität dieser Hefe ist höher als in der natürlichen Quelle, dem Einjährigen Beifuß.
2007 Bakterien-Umwandlung
Unter Leitung von Carole Lartigue transplantieren Wissenschaftler am J. Craig Venter Institute das gesamte Genom einer Bakterien-Spezies in die Zelle einer anderen Bakterien-Art. Nach Erkenntnissen der Forscher übernimmt das Spender-Genom in der neuen Umgebung das Kommando und macht die Artumwandlung möglich.
2008 Synthese eines Bakterien-Genoms
Forscher des J. Craig Venter Institute fügen alle Erbgut-Bausteine des Bakteriums Mycoplasma genitalium zusammen. Das chemisch synthetisierte Genom besteht aus mehr als 580.000 Bausteinen.
2009 Hefezellen vermehren Bakterienerbgut
Dem J. Craig Venter Institute gelingt ein weiterer Coup: Das Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides wird in Hefezellen eingeschleust und kann dort mit Hilfe der Hefe-Gentechnik verändert werden. Wird das neue Genom in Zellen der Bakterien-Art Mycoplasma capricolum verpflanzt, entsteht ein neuer Bakterienstamm.
2010 Synthetisiertes Bakterien-Genom transplantiert
Wissenschaftler des J. Craig Venter Institute synthetisieren das Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides. Seine DNA besteht aus mehr als einer Million Bausteinen und enthält von den Forschern eingefügte molekulare Wasserzeichen: kodierte E-Mail-Adressen, Namen oder berühmte Zitate. Das Konstrukt transplantierten sie in die verwandte Art Mycoplasma capricolum. Alle Vorgänge in der Zelle wurden daraufhin von der Mycoplasma-mycoides-DNA gesteuert. Um "künstliches Leben" handelt es sich bei dieser Zelle aber nicht: Die synthetisierte Bakterien-DNA ist eine Kopie des natürlichen Genoms und auf die vorhandene molekulare Maschinerie des Empfänger-Bakteriums angewiesen.
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