Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.

Synthetische Biologie: Leben aus dem Lego-Baukasten

Von

Maßgeschneiderte Bakterien stellen billig Medikamente her, Einzeller besiedeln den Mars: Wissenschaftler hoffen auf bahnbrechende Neuerungen durch die synthetische Biologie. SPIEGEL ONLINE erklärt, was die Mikroben-Ingenieure für die Zukunft planen.

Fotostrecke

16  Bilder
Maßgeschneidertes Leben: Bakterium erschaffen
Ob es die Züchtung besonders ergiebiger Getreidesorten war oder die Domestizierung von Tieren - seit je her formt der Mensch die Natur für seine Zwecke. Stets wählte er das aus, was ihm genehm war und vermehrte es nach Kräften.

Die synthetische Biologie zäumt das Pferd jetzt von hinten auf: Man züchtet nicht mehr mühselig einen Organismus heran - man baut ihn sich einfach. So wird Biologie zum Handwerk. Bald könnten neue Berufsnamen wie Mikroben-Ingenieur oder Organismus-Designer auf Visitenkarten stehen.

Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, dass man für das Bauen von Lebewesen künftig nicht einmal mehr Kenntnisse in Molekulargenetik benötigt. Biobricks heißen die Legosteine der synthetischen Biologie. Es sind in mühseliger Arbeit identifizierte Gene, die Information für bestimmte Funktionen tragen. Wie Schalter, Rohre und Scharniere können sie kombiniert werden, um daraus einen maßgeschneiderten Organismus zu bauen, der gewünschte Funktionen ausführt.

Warum nicht Stühle und Tische aus der Erde wachsen lassen?

Die Möglichkeiten scheinen unbegrenzt: Maßgeschneiderte Bakterien, die Gifte aufspüren, Biodiesel oder Medikamente produzieren, könnten der Anfang einer neuen, milliardenschweren Industrie sein, die sich aus der Ressource Leben bedient.

Aber die Lebenserschaffer wollen noch weiter gehen. Sie wollen Mikroben einspannen, um lebensfeindliche Planeten wie Mars und Venus bewohnbar zu machen. Und ganze Wertschöpfungsketten gleich biologisch programmieren: Warum nicht fertige Stühle und Tische aus der Erde wachsen lassen, statt sie aus dem Holz der Bäume zu fertigen?

Wissenschaftler haben im vergangenen Jahrzehnt das Erbgut vieler Lebewesen entziffert, einschließlich des Menschen. Sie haben versucht, es zu verstehen, haben biochemische Stoffwechselwege studiert, die Regulation genetischer Netzwerke untersucht. Nun drängen die Forscher der noch jungen Disziplin der synthetischen Biologie darauf, das Wissen einzusetzen, um daraus neue Organismen zu bauen.

Mehrere Schlüsseltechniken dafür sind im vergangenen Jahrzehnt stark technisiert und billiger geworden: DNA-Sequenzen lassen sich mittlerweile mit kommerziell erhältlichen Automaten auslesen, der Preis für ein menschliches Genom liegt derzeit bei rund 4000 Dollar, Ziel ist das 1000-Dollar-Genom. Mit PCR-Automaten kann man bereits seit vielen Jahren Gene bequem und schnell vervielfältigen.

Nur der umgekehrte Weg - eine DNA-Sequenz auf dem Papier in ein reales DNA-Molekül umzuwandeln - ist noch nicht voll automatisiert. Mehrere Firmen weltweit bieten die Herstellung von Genen auf Rezept an, für etwa 30 Cents pro DNA-Buchstabe. Zur Orientierung: Das Erbgut des Menschen besteht aus 3,2 Milliarden Buchstaben, Biobricks haben einige Hundert bis wenige Tausend Buchstaben.

Im ersten Schritt werden Einzeller umprogrammiert

Schöner aber wäre ein vollautomatischer "DNA-Drucker", in den man einfach die gewünschte DNA-Sequenz der gewünschten Biobricks eintippt, die man sich in der Datenbank "Registry of Standard Biological Parts" herausgesucht hat. Am anderen Ende kommt das neu programmierte Bakterium heraus. Einen Prototypen eines solchen Geräts hat der Harvard-Forscher George Church schon entwickelt: MAGE (multiplex automated genome engineering) nennt er seinen Apparat, der tatsächlich kurze DNA-Sequenzen über mehrere Zwischenschritte in Moleküle umsetzt und diese direkt in Einzeller einbaut. Allerdings schafft MAGE nur kurze Stücke, Biobricks können damit noch nicht geschrieben werden.

"Die ersten Anwendungen künstlichen Lebens werden Treibstoffe, Chemikalien und Medikamente sein", prognostiziert George Church. Im ersten Schritt werden die synthetischen Biologen einzellige Lebewesen programmieren: Bakterien, Pilze, Algen. Die vermeintlich simplen Organismen sind die heimlichen Gewinner der Evolution: Von der Arktis bis in die Tiefsee - es gibt kaum eine Nische unseres Planeten, den sie nicht erobert haben. Ob Frost oder Hitze, Umweltgifte oder Radioaktivität - sie können sich an jede noch so widrige Umwelt anpassen.

Damit bieten sie ein vielfältiges Repertoire, das sich die synthetischen Biologen zunutze machen wollen. Die Einzeller könnten aufwendige und teure Produktionsprozesse der chemischen Industrie ersetzen. Synthetische Biologen betrachten sie wie ein Chassis, in das man die gewünschten Biobricks einschleust und die Einzeller zu Mini-Fabriken nach Wahl programmiert.

Welche Möglichkeiten bietet die Biologie aus dem Lego-Baukasten? Welche Anwendungen werden durch den Einsatz der Einzellerfabriken möglich? SPIEGEL ONLINE stellt einige der künftigen Einsatzfelder für das künstliche Leben vor.

Diesen Artikel...
Forum - Dürfen Forscher im Labor künstliches Leben schaffen?
insgesamt 596 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
1.
günter1934 30.12.2009
Zitat von sysopDie Möglichkeiten der Forschung, von Entdeckern zu Schöpfern zu werden, haben sich in den letzten Jahren enorm entwickelt. Auch das Erzeugen von Leben unter Laborbedingungen erscheint möglich. Trotz aller ethischen Vorbehalte - dürfen Wissenschaftler im Labor künstliches Leben erschaffen?
In einem Land dürfen Sie es, werden vielleicht sogar dazu angehalten, in anderern Ländern nicht. Aber wenn es technisch möglich ist, wird es garantiert gemacht. Dauert aber noch.
2.
Kryoniker 30.12.2009
Gegenfrage: Ist Leben, wenn es einmal da ist, überhaupt noch "künstlich"? Ich weiß nicht, inwieweit wir hier über Science fiction reden und ob ich das überhaupt noch einmal miterleben werde, daß da etwas im Labor Zusammengebasteltes "zu zappeln beginnt", aber Wissenschaftler dürfen dergleichen tun, ja. Es würde mit Sicherheit lange ethische Debatten geben; die katholische Kirche, die dem ungeborenen Leben mehr Schutz zukommen läßt als dem geborenen, bekäme noch einmal die Gelegenheit, sich als wichtig und unentbehrlich darzustellen, aber am Ende wird sowieso getan, was möglich ist. Die Vorstellung vom "künstlichen Leben" beflügelt seit jeher die Phantasie der Menschen, und das nicht erst seit "Frankenstein".
3. Ja
Daniel28, 30.12.2009
Sie müssen sogar. Nur wenn Leben unter Laborbedingungen geschaffen werden kann, können gute Hypothesen entwickelt werden, wie Leben unter natürlichen Bedingungen entstanden sein könnte. Natürlich kann das kein Beweis sein, aber doch ein Hinweis. Dabei geht es nicht nur um die Frage, wie Leben auf der Erde entstanden ist, sondern auch, wie wahrscheinlich Leben in anderen Teilen des Universums ist.
4.
Daniel28, 30.12.2009
Zitat von KryonikerGegenfrage: Ist Leben, wenn es einmal da ist, überhaupt noch "künstlich"? Ich weiß nicht, inwieweit wir hier über Science fiction reden und ob ich das überhaupt noch einmal miterleben werde, daß da etwas im Labor Zusammengebasteltes "zu zappeln beginnt", aber Wissenschaftler dürfen dergleichen tun, ja. Es würde mit Sicherheit lange ethische Debatten geben; die katholische Kirche, die dem ungeborenen Leben mehr Schutz zukommen läßt als dem geborenen, bekäme noch einmal die Gelegenheit, sich als wichtig und unentbehrlich darzustellen, aber am Ende wird sowieso getan, was möglich ist. Die Vorstellung vom "künstlichen Leben" beflügelt seit jeher die Phantasie der Menschen, und das nicht erst seit "Frankenstein".
Wenn es nicht durch "natürliche Auslese" sondern durch "künstliche Auslese" entstanden ist, dann darf das Attribut "künstlich" wohl gebraucht werden. Das hängt davon ab, wie eng man "künstliches Leben" begreifen will. Wenn wir nur natürliche Komponenten neu zusammensetzen also DNA künstlich synthetisieren und in eine geeignete Bakterienhülle mit entsprechenden Zellapparaten einbauen, dürfte das nicht mehr allzu fantastische Zukunftsmusik sein. Wenn man jetzt aber völlig neue biochemische Regelkreise entwickeln wollte, mit z.B. PNA statt DNA, komplett anderen Aminosäuren (oder auch etwas ganz anderes) etc., dann sprechen wir noch von sehr weiter Zukunft. Und wenn es dann noch um "höhere Organismen" also komplexe Mehrzeller geht, dann wird es noch viel schwieriger
5.
Hermes75 30.12.2009
Zitat von KryonikerGegenfrage: Ist Leben, wenn es einmal da ist, überhaupt noch "künstlich"? Ich weiß nicht, inwieweit wir hier über Science fiction reden und ob ich das überhaupt noch einmal miterleben werde, daß da etwas im Labor Zusammengebasteltes "zu zappeln beginnt", aber Wissenschaftler dürfen dergleichen tun, ja. Es würde mit Sicherheit lange ethische Debatten geben; die katholische Kirche, die dem ungeborenen Leben mehr Schutz zukommen läßt als dem geborenen, bekäme noch einmal die Gelegenheit, sich als wichtig und unentbehrlich darzustellen, aber am Ende wird sowieso getan, was möglich ist. Die Vorstellung vom "künstlichen Leben" beflügelt seit jeher die Phantasie der Menschen, und das nicht erst seit "Frankenstein".
In der Tat müsste man heir erstmal klären was unter "künstliches Leben erschaffen" denn wirklich gemeint ist? Zellkulturen anlegen oder am genom von Lebewesen herumzupfuschen ist ja nun nichts mehr neues, aber das hat nichts mit "Leben erschaffen" zu tun. Dass es in absehbarer Zeit gelingt auch nur eine Zelle künstlich zusammenzusetzen und "zum Leben zu erwecken". Wenn die Wissenschaft es aber irgendwann mal kann, warum nicht? Bleibt nur die Frage warum man das tun sollte, wofür das gut ist und welche Risiken davon ausgehen. Die Erfahrung zeigt schließlich, dass es äußerst schwierig sein kann gewisse Organismen wieder loszuwerden, wenn sie einmal da sind.
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
Diskussion geschlossen - lesen Sie die Beiträge! zum Forum...

© SPIEGEL ONLINE 2010
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH



Illustration Guy Billout für den SPIEGEL

Heft 01/2010:
Die Schöpfung im Labor

Forscher auf der Suche nach der Formel des Lebens

Inhaltsverzeichnis

Titelthema -: diskutieren Sie mit

Hier geht es zum E-Paper

Hier kaufen Sie das Heft

Hier finden Sie Ihre Abo-Angebote und Prämien


Stammzellen - die Multitalente
Embryonale Stammzellen (ES)
AFP
Sie gelten als die zellulären Alleskönner: Reift eine befruchtete Eizelle zu einer Blastozyste, einem kleinen Zellklumpen, heran, entsteht in deren Inneren eine Masse aus embryonalen Stammzellen. Die noch nicht differenzierten Stammzellen können sich zu jeder Zellart des menschlichen Körpers entwickeln. Voraussetzung ist, dass sie mit den richtigen Wachstumsfaktoren behandelt werden.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. Aus den dabei entstandenen maßgeschneiderten Stammzellen züchteten sie erfolgreich verschiedene Körperzellen. Diese Methode ist nicht nur elegant, sondern auch ethisch unbedenklich, da dabei kein Embryo hergestellt und zerstört wird. Allerdings birgt die Methode noch Risiken, weil für das Einschleusen der Gene Viren benötigt werden. Die Gene werden vom Virus verstreut im Genom eingebaut, wichtige Gene der Zelle können dabei beschädigt werden, die Zelle kann entarten. Es besteht Krebsgefahr. Zudem bauen auch die Viren ihr Erbgut ein. Forschern gelang jedoch mittlerweile die Reprogrammierung ohne Viren und mit anschließender Entfernung der Gene.
Proteininduzierte pluripotente Stammzellen (piPS)
Zellen reprogrammieren - nur durch Zugabe von Molekülen und ohne Veränderung des Erbgutes. Dies gelang Forschern erstmals im April 2009. Damit räumten sie potentielle Risiken aus, die das Einschleusen der Reprogrammiergene barg.
Keimbahn abgeleitete pluripotente Stammzellen (gPS)
Keimbahn-Stammzellen können normalerweise nur Spermien erzeugen. Aber man kann sie auch in pluripotente Stammzellen verwandeln. Diese "germline derived pluripotent stem cells" (gPS) bieten ein großes Potential, denn ihr Erbgut ist noch relativ unbeschädigt. Forschern gelang die Verwandlung an Hodenzellen von Mäusen - nur durch ganz bestimmte Zuchtbedingungen.
Adulte Stammzellen
Nicht nur Embryonen sind eine Quelle der Zellen, aus denen sich verschiedene Arten menschlichen Gewebes entwickeln können. In etwa 20 Organen inklusive der Muskeln, der Knochen, der Haut, der Plazenta und des Nervensystems haben Forscher adulte Stammzellen aufgespürt. Sie besitzen zwar nicht die volle Wandlungsfähigkeit der embryonalen Stammzellen, bereiten aber auch keine ethischen Probleme: Einem Erwachsenen werden die adulten Stammzellen einfach entnommen und in Zellkulturen durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren so umprogrammiert, dass sie zu den gewünschten Gewebearten heranreifen.
Ethik und Recht
Die Stammzellforschung birgt ethische Konflikte. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, die entweder eigens hergestellt werden oder bei künstlichen Befruchtungen übriggeblieben sind. Dabei wird der Embryo zerstört. Die Argumentation der Befürworter: Die Embryonen würden ohnehin vernichtet. Kritiker sprechen dagegen von der Tötung ungeborenen Lebens. In Deutschland ist das Herstellen menschlicher Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verboten. In Ausnahmefällen erlaubt das Gesetz aber den Import von Stammzellen, die vor dem 1. Mai 2007 hergestellt wurden. In Großbritannien und Südkorea ist das therapeutische Klonen ausdrücklich erlaubt, ebenso in den USA.
Biosprit - Fragen und Antworten
Was ist Biosprit?
Unter Biosprit versteht man Kraftstoffe, die nicht aus Erdöl, sondern aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. Man unterscheidet Ethanol, das herkömmlichem Benzin beigemischt wird, und Biodiesel, der Diesel beigemischt wird. Ethanol ist ein Alkohol, der aus stärke- oder zuckerhaltigen Pflanzen wie Getreide - vorwiegend Mais, Weizen oder Roggen - oder Zuckerrohr und Zuckerrüben hergestellt wird. Biodiesel wird aus ölhaltigen Pflanzen wie Raps oder Sojabohnen hergestellt.
Wieviel Biosprit wird derzeit verbraucht?
Der Anteil von Biosprit am gesamten Kraftstoffaufkommen beträgt derzeit in Deutschland und auch den USA unter fünf Prozent bezogen auf den Energiegehalt. Trotzdem stieg die weltweite Produktion bereits in den vergangenen Jahren drastisch an: Beim Ethanol allein von 2000 bis 2005 auf das Doppelte, beim Biodiesel sogar auf das Vierfache. Laut der Welthungerhilfe wurden 2007 mehr als 60 Milliarden Liter Biokraftstoffe produziert, 2000 war es erst weniger als 20 Milliarden Liter.
Wieviel soll in Zukunft verbraucht werden?
Die Europäische Union plant, bis 2020 einen Anteil von zehn Prozent am Gesamtkraftstoffverbrauch über Biokraftstoffe zu decken. Das Ziel der Bundesregierung ist mit 20 Prozent noch deutlich ambitionierter. In den USA sollen es bis 2017 rund 15 Prozent sein. Auch andere Staaten wie China oder Indien wollen den Anteil deutlich erhöhen.
Warum setzen viele Staaten auf Biosprit?
Lange Zeit galt der Einsatz von Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen als umweltfreundlicher als fossile Brennstoffe. Dies ist inzwischen jedoch sehr umstritten. Außerdem verspricht man sich von Biosprit mehr Unabhängigkeit vom Erdöl. Allerdings kann Deutschland allenfalls zehn Prozent seines gesamten Energiebedarfs aus Biomasse decken.
Wo kommt der Biosprit her?
Die derzeit weltweit führenden Staaten in der Produktion von Biokraftstoffen sind für Biodiesel die EU und für Ethanol die USA. Sehr große Mengen an Ethanol werden auch in Brasilien, das seit den siebziger Jahren das Pionierland für Biosprit war, und Argentinien hergestellt. Laut Greenpeace beträgt allein in diesen Gebieten die Anbaufläche rund 23 Millionen Hektar. Würden darauf Nahrungsmittel angebaut, könnten davon 350 bis 450 Millionen Menschen leben.
Worin liegt das größte Problem?
Je größer die Anbauflächen für Biosprit sind, desto kleiner sind die für Nahrungsmittel, desto weniger Nahrungsmittel werden auch produziert. Es sei denn die verfügbaren Anbauflächen werden vergrößert, wie etwa durch Rodung von Regenwald oder die Bewirtschaftung von bisher brachliegenden Flächen. Dies wird aber derzeit nicht in großem Umfang praktiziert und ist ökologisch höchst umstritten. Die entsprechend knapper gewordenen Lebensmittel werden teurer. Laut Weltbank sind die Nahrungsmittelpreise seit 2005 um durchschnittlich 83 Prozent gestiegen. Je nach Land sind davon 30 bis 70 Prozent auf die Produktion von Biosprit zurückzuführen. Die drastisch gestiegenen Preise für Lebensmittel führen zu Problemen vor allem in den ärmeren Ländern, in denen die Menschen 50 bis 70 Prozent ihres verfügbaren Einkommens für Nahrungsmittel ausgeben. Für die zumeist exportorientierte Landwirtschaft dieser Länder können höhere Preise auch eine Chance auf höhere Einnahmen bedeuten. Der nicht mehr auf dem Land lebenden armen Stadtbevölkerung kommt dies allerdings nicht zugute.

Fotostrecke
Cyanobakterien: Schwimmende Biosprit-Produzenten
Fotostrecke
Künstlicher Treibstoff: Sprit, selbst gemacht

Malaria
Die Krankheit
AP
Malaria zählt zu den tödlichsten Infektionskrankheiten der Welt: Statistisch gesehen stirbt allein in Afrika etwa alle 30 Sekunden ein Kind an der Krankheit. Pro Jahr fallen ihr insgesamt mindestens eine Million Menschen zum Opfer, die meisten davon Kinder unter fünf Jahren. Der Erreger der Malaria tropica, der einzellige Parasit Plasmodium falciparum, wird durch den Stich weiblicher Stechmücken der Gattung Anopheles von bereits infizierten Menschen auf gesunde übertragen.
Schutzmaßnahmen
Einen Impfstoff gegen Malaria gibt es derzeit nicht. Deshalb gilt es, eine Ansteckung von vornherein zu vermeiden, indem man sich in moskitosicheren Räumen aufhält, mit Insektiziden imprägnierte Moskitonetze benutzt und langärmlige Kleidung trägt.
Chemische Vorbeugung
Prophylaxe-Medikamente bieten keinen absoluten Schutz vor einer Malaria, erhöhen aber die Sicherheit. Über die Art der Malaria-Prophylaxe muss individuell der Arzt entscheiden, anhand des Reisezieles, der Reisezeit, der Reisedauer und des Reisestils. Dabei müssen Vorerkrankungen und Unverträglichkeiten sowie Besonderheiten bei der Medikamenteneinnahme beachtet werden. Bei Reisen in Gebiete mit hohem Malaria-Risiko ist eine Chemoprophylaxe empfehlenswert. Wenn in Gebieten mit niedrigem oder mittlerem Malaria-Risiko keine regelmäßige Chemoprophylaxe durchgeführt wird, sollte ein Reservemedikament mitgeführt werden. Es sollte nur bei verdächtigen Symptomen, fehlender ärztlicher Versorgung und nur im Notfall eingenommen werden ("Standby").
Fotostrecke
Mars: Hochreines Eis in Kratern

Der kompakte Nachrichtenüberblick am Morgen: aktuell und meinungsstark. Jeden Morgen (werktags) um 6 Uhr. Bestellen Sie direkt hier: