Synthetische Biologie: Von Bioingenieuren und Zellfabriken
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- Die Erbsubstanz ist das wichtigste molekulare Baumaterial, mit dem Bioingenieure Zellen mit neuen Eigenschaften konstruieren wollen. Quelle: Benjamin Stolzenberg für biotechnologie.de
Im Zuge technologischer Fortschritte ist ein neuer biotechnologischer Forschungszweig entstanden: die Synthetische Biologie. Wissenschaftler wollen hierbei komplexe biologische Prozesse nicht mehr bloß analysieren, sondern im Labor gezielt entwerfen, nachbauen oder verändern. Wie Ingenieure gehen sie daran, Zellen und biologische Systeme umzuprogrammieren oder von Grund auf neu zu gestalten. Synthetische Biologie ist heute im Wesentlichen noch Grundlagenforschung. Allerdings eröffnet sie mittelfristig auch Möglichkeiten für biotechnologische Anwendungen – von Diagnostika, Impfstoffen und Medikamenten über Biosensoren bis hin zu Biokraftstoffen. Dieses Dossier gibt einen Überblick über aktuelle Konzepte und mögliche Anwendungen, über die gesellschaftliche Debatte und wie sich die Synthetische Biologie derzeit fortentwickelt.
Womit beschäftigt sich die Synthetische Biologie?
Synthetische Biologie ist ein junger und interdisziplinärer Forschungszweig aus den Lebenswissenschaften, der Ansätze aus der Biologie und der Ingenieurstechnik mit dem Ziel kombiniert, biologische Systeme mit neuen Eigenschaften und Funktionen zu konstruieren. Für viele Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft steht hinter dem Begriff „Synthetische Biologie“ die logische Fortentwicklung der molekularen Lebenswissenschaften hin zu einer Ingenieursdisziplin.
Vom Analysieren zum Herstellen dank neuester Methoden
Bedeutende Fortschritte haben den Molekular- und Zellbiologen in den vergangenen Jahren neue Werkzeuge und Methoden für diese Entwicklung geliefert. Sie ermöglichen es, biologische Prozesse im Detail zu analysieren. So erlauben die sogenannten Omics-Technologien (etwa Genomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik), die Existenz und das Wirken von Genen und Eiweißmolekülen und anderen Molekülen in der Zelle in ihrer Gesamtheit zu erfassen und zu vermessen. Die Systembiologie wiederum kann biologische Prozesse mithilfe von Computersimulationen modellieren und ermöglicht damit Vorhersagen zum Geschehen in der Zelle. Und auch die Gentechnik hat in den vergangenen Jahren einen technologischen Sprung gemacht. Das gilt insbesondere für die Herstellung von Erbsubstanz, die mittlerweile von chemischen Syntheseautomaten im industriellen Maßstab betrieben werden kann. Spürbare Fortschritte gibt es auch bei der Sequenziertechnik. Verfahren der neuesten Generation (next generation sequencing) können Erbinformationen sehr schnell und immer preisgünstiger entziffern (mehr...). Zudem gibt es immer präzisere molekulare Werkzeuge, die Biotechnologen die Laborarbeit erleichtern.
Biologische Systeme (um)konstruieren und programmieren
Vor diesem Hintergrund hat sich in den vergangenen zehn Jahren die Synthetische Biologie als dynamisches Forschungsfeld innerhalb der Biowissenschaften entwickelt. Forscher haben sich zwar noch nicht auf eine einheitliche Definition geeinigt, trotzdem sind bestimmte Eckpunkte und Schlüsselbegriffe dieser Herangehensweise charakteristisch:
- Für die Arbeitsgruppe „Gentechnologiebericht“ der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften ist Synthetische Biologie ein Sammelbegriff für eine Vielzahl an Forschungsprojekten und -ansätzen mit dem Ziel, biologische oder artifizielle Systeme auf biologischer Basis im Labor zu entwerfen, nachzubauen oder zu modifizieren. Diese technische Gestaltung soll auf verschiedenen Ebenen erfolgen – von einzelnen Molekülen bis zum kompletten Biosystem (BBAW Dezember 2012 , PDF-Download).
- Für die Fachgesellschaft Dechema steht hinter dem Konzept der Synthetischen Biologie „die Anwendung von Ingenieursprinzipien für die gezielte Konstruktion biologischer Systeme“ (Dechema Thesenpapier 2011, PDF-Download).
- Im Rahmen des ERA-Net ERASynBio haben sich 16 europäische Förderer auf folgende Definition geeinigt: „Die Synthetische Biologie beschäftigt sich mit der Planung und Konstruktion von neuen biologischen und auf biologischen Strukturen basierenden Systemen, um neue Funktionen für nützliche Anwendungen zu generieren. Dabei bedient sie sich der Konzepte aus den Ingenieurwissenschaften und der Biologie“ (ERASynbio Konsortium).
- Eine häufig zitierte Definition stellt ebenfalls den Ingenieursansatz in den Vordergrund: „Synthetische Biologie ist das Design und die Konstruktion von neuen biologischen Bauteilen, Apparaten und Systemen sowie das Re-Design von bereits vorhandenen natürlichen biologischen Systemen für nützliche Zwecke“ (synbio.org).
Insgesamt geht es also darum, die molekulare Architektur von biologischen Systemen zu verstehen, umzukomponieren oder neu zu entwerfen. Dabei ist die „Synthetische Biologie“ ein interdisziplinäres und sehr dynamisches Feld, in dem Akteure aus den Biowissenschaften, aus Chemie, Informationstechnologie und Ingenieurswissenschaften zusammenarbeiten.
