Synthetische Biologie: Leben aus dem Lego-Baukasten

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.

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• 1. Teil: Leben aus dem Lego-Baukasten
• 2. Teil: Medikamente aus der Bakterien-Apotheke
• 3. Teil: Tanken in der Hefe-Brauerei
• 4. Teil: Biosensoren - Alarm bei Arsen
• 5. Teil: Medikamente auf dem Prüfstand
• 6. Teil: Auf zum grünen Mars
• 7. Teil: Wir pflanzen einen Stuhl
• 8. Teil: Gefahren und Risiken der synthetischen Biologie