Christian Stöcker

Crispr, KI und Biotechnologie Maschinen, die lebendige Wesen erschaffen

Christian Stöcker
Eine Kolumne von Christian Stöcker
Der Chemie-Nobelpreis geht verdientermaßen an die Erfinderinnen der Genschere Crispr/Cas9. Das mächtige neue Werkzeug verändert schon jetzt die Welt. Doch die Biotech-Revolution fängt gerade erst an.
Automatisierte Maschine im Labor: Jetzt geht es erst richtig los

Automatisierte Maschine im Labor: Jetzt geht es erst richtig los

Foto: Bloomberg / Getty Images

Der Mensch hat längst begonnen, sich in die Evolution einzumischen. Zuerst mit Züchtung, dann mit der gezielten Manipulation des Erbguts. Jetzt werden neue Organismen entworfen, zum Teil "in silico", wie das jetzt heißt, sprich: im Computer.

Das funktioniert sehr gut, denn DNA ist Software. Nur wissen wir immer noch sehr wenig darüber, welche Code-Schnipsel genau was tun. Das komplexe Wechselspiel zwischen der Soft- und der Hardware unserer Zellen zu erkunden, ist die Herkulesaufgabe der Biochemie, Mikrobiologie und Bioinformatik der nächsten Jahrzehnte. Welches Stückchen DNA ist der Bauplan für welches von vermutlich Hunderttausenden unterschiedlichen Proteinen in einem Körper? Proteine sind die Grundbausteine des Lebens.

Immer wieder werden die Erfinderinnen und Erfinder von Werkzeugen dieser neuen Lebenswissenschaft mit Nobelpreisen ausgezeichnet, etwa 1993  und 2002 . Ohne die von Kary Mullins erfundene Polymerase Kettenreaktion (PCR) gäbe es zum Beispiel keine verlässlichen Corona-Tests. Erfunden hat er dieses Werkzeug erst vor 37 Jahren. Die Wissenschaft vom Leben selbst entwickelt sich atemberaubend schnell. Aber jetzt geht es erst richtig los.

Eingriff in die Evolution

Zwei Frauen haben nun einen Nobelpreis für die Schöpfung eines weiteren mächtigen Werkzeugs dieser neuen Wissenschaft bekommen: Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier. Ihre Entdeckung Crispr/Cas9 hat der Menschheit die Möglichkeit verschafft, die Software, die in lebenden Zellen steckt, gezielt umzuschreiben.

Man kann damit einzelne Gene entfernen oder abschalten, aber auch neue Gensequenzen in lebende Zellen einsetzen. In den Programmcode, der in Milliarden Jahren Evolution entstanden ist, direkt eingreifen also. Allerdings mit einer gewissen Fehlerwahrscheinlichkeit.

Das ist, unter Umständen, genauso riskant, wie es sich anhört: Eben weil wir über den Zusammenhang von Hard- und Software unserer Zellen noch so wenig wissen. Es gibt jede Menge Risiken und potenzielle Nebenwirkungen. Deshalb gab es einen globalen Aufschrei, als der chinesische Forscher He Jiankui im Jahr 2018 verkündete, er habe zwei menschliche Embryos mithilfe von Crispr/Cas9 verändert, eine Frau habe die Zwillinge zur Welt gebracht. Er wurde schließlich zu drei Jahren Haft und einer hohen Geldstrafe verurteilt.

Zellen mutieren, werden ausgewählt, mutiert, ausgewählt…

Doch die Versuchung, am Genom lebender Menschen herumzuexperimentieren, wird nicht nachlassen. Dabei sind andere, weniger rabiate Methoden, etwa Kranken mit Crispr zu helfen, durchaus Erfolg versprechend. So wie die experimentellen Therapien gegen Sichelzellanämie und das Hunter-Syndrom, die mit Crispr-Hilfe entwickelt worden sind.

Dabei wird im Gegensatz zu Experimenten mit Embryos nicht gleich der ganze Organismus genetisch manipuliert, sondern nur ganz bestimmte Stammzellen, die für die Herstellung etwa von Blutbestandteilen zuständig sind. Zellen mit kaputtem Code werden abgetötet, Zellen mit repariertem Code implantiert.

Überhaupt erscheint die gezielte Manipulation einzelner Zellen derzeit der interessanteste Anwendungsfall all der neuen Biotechnologie-Werkzeuge. Und das gilt bei Weitem nicht nur für menschliche Zellen.

Die US-Amerikanerin Frances Arnold  bekam 2018 einen Nobelpreis für ein Verfahren namens Directed Evolution. Dabei werden Zellen, meist Bakterien, immer wieder gezielt mutiert. Aus den Ergebnissen werden einige Kandidaten ausgewählt, die wieder zur Mutation gebracht werden und so weiter. Das Ziel ist es, Zellen herzustellen, die dann auf Kommando bestimmte Stoffe produzieren. Im Moment basieren Gentechnik und Biotechnologie in vielen Fällen auf langwierigen Ketten von Versuch und Irrtum.

Dinge, die Zellen noch nie getan haben

Wir Menschen lassen schon lange Zellen für uns arbeiten, jahrtausendelang zunächst, ohne das zu ahnen: Man denke nur an den Anteil, den fleißig arbeitende, unsichtbare Mikroorganismen an der Herstellung von Brot, Bier, Joghurt, Käse oder Alkohol haben. Schon seit Jahrzehnten arbeiten aber auch gezielt zu diesem Zweck gezüchtete Zellen für uns. Künstliches Insulin wurde beispielsweise schon Ende der Siebzigerjahre erstmals mithilfe von Gentechnik hergestellt .

Man kann aber auch Zellen herstellen, die Substanzen produzieren, die in der Natur bislang gar nicht vorkamen. Frances Arnold und ihre Kollegen etwa haben mit ihrer gelenkten, beschleunigten Zellevolution schon bemerkenswerte Durchbrüche erzielt. Zum Beispiel haben sie Zellen hergestellt, die Kohlenstoff, die Grundsubstanz aller lebenden Organismen, mit Silizium, der Grundsubstanz aller Computer verbinden können .

Solche Bindungen kommen in der Natur bislang nicht vor. "Wir entdecken im Labor, dass die Natur Chemie beherrscht, von der wir nicht zu träumen gewagt hätten", sagte Arnold 2016 der "New York Times". Menschen bringen Zellen jetzt dazu, Dinge zu tun, die Zellen noch nie getan haben.

400 Milliarden Dollar Umsatz im Jahr

Längst ist die Herstellung von Organismen, die auf Kommando Wunschsubstanzen produzieren, ein Riesengeschäft. Allein in den USA haben Unternehmen mit Biotechnologie  bereits im Jahr 2017 400 Milliarden Dollar umgesetzt. Das entspricht zwei Prozent des Bruttoinlandsproduktes.

Immer lukrativer wird dieses Geschäft auch deshalb, weil neben der rasanten Entwicklung der Werkzeuge, für die es Nobelpreise hagelt, noch eine zweite wissenschaftlich-technische Revolution abläuft: Weil DNA nichts anderes ist als Software, als Daten, tritt die wachsende Macht des Menschen über die Gene in Wechselwirkung zur wachsenden Macht, die uns Maschinen verleihen.

Die biotechnologische Revolution, die im Moment abläuft, von der Öffentlichkeit bislang weitgehend unbemerkt, ist nicht zuletzt eine Folge der exponentiellen Verbesserung von Informationstechnologie. Die Zusammenhänge von Genen und Proteinen sind so kompliziert, dass man sie ohne Computer unmöglich untersuchen kann. Und seit Neuestem können die Maschinen nicht nur rechnen, sondern auch lernen.

Man kann mit Gencode auch Computer hacken

Gencode ist Computersoftware in mancher Hinsicht so ähnlich, dass man Filme, Texte oder Musikdateien in DNA-Form abspeichern kann. Umgekehrt kann man, mit einem gewissen Aufwand, sogar Laborcomputer mit manipulierter DNA hacken .

Die nächsten großen Durchbrüche der Biotechnologie werden mit großer Wahrscheinlichkeit viel mit dieser neuen Macht der lernenden Maschinen zu tun haben. Diesen Februar wurde in der Fachzeitschrift "Cell" ein nagelneues Antibiotikum präsentiert, das gegen einen multiresistenten Krankenhauskeim hilft. Gesucht und gefunden wurde es mithilfe einer lernenden Maschine , in einem riesigen Heuhaufen potenzieller Kandidaten.

Wer weiß, vielleicht entsteht auf diese Weise irgendwann ein Bakterium, das Mikroplastik abbaut oder CO₂ frisst. Aber werden wir es auch einsetzen wollen?

Unser Gehirn ist viel zu langsam

Die menschliche Kapazität zur Informationsverarbeitung ist zu klein, unser Gehirn viel zu langsam, um die unglaublich komplexen Wechselspiele von Genen und Proteinen wirklich zu durchdringen. Das sieht übrigens auch Frances Arnold so.

Drei Jahre nach der Kohlenstoff-Silizium-Studie veröffentlichten Arnold und ihre Kollegen mehrere Artikel mit der These, dass die Methode, für die Arnold ja immerhin den Nobelpreis bekam, einfach nicht gut genug sei : "Welche Technik man auch zur Diversifikation [der getesteten Zellen] verwendet, Directed Evolution kostet immer viel Energie, Zeit und Material, außerdem braucht man unter Umständen viele Generationen, um nennenswert verbesserte Leistung zu erzielen."

Der zitierte Artikel, einer von mehreren, die die Gruppe mittlerweile zu diesem Thema veröffentlicht hat, präsentiert aber auch eine Lösung: maschinelles Lernen. Ihr Team lässt jetzt Maschinen nach den besten Kandidaten für die nächste Runde suchen.

Fabriken voller autonomer Roboter

Maschinen, die übrigens Vorschläge machen, die sich ihre Nutzer selbst oft nicht mehr so recht erklären können. Zitat: "Auf maschinellem Lernen basierende Modelle von Proteinfunktionen können selbst dann Vorhersagen erlauben, wenn die zugrundeliegenden Mechanismen noch nicht gut verstanden sind."

Es gibt mittlerweile diverse Unternehmen, bei denen biotechnologische Experimente nicht nur von Robotern vollautomatisch durchgeführt werden - lernende Maschinen entwerfen auch selbstständig die Versuchsanordnungen . Das in Boston ansässige Unternehmen Ginkgo Bioworks zum Beispiel wirbt mit dem Satz: "Wir automatisieren das Organismusdesign." Seine "Biofabriken" sind Ansammlungen autonom agierender Laborroboter.

Maschinen, die Maschinen steuern, die dann lebende Organismen erzeugen.

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