Synthetische Biologie

Synthetische Biologie ist ein relativ junger Zweig der Molekularbiologie. Das Fach beschäftigt sich mit dem Lesen und Schreiben von genetischem Code und hat die Informatik und Ingenieurswissenschaft als Vorbild. Ziel ist die Entwicklung von intelligenten Biomaterialien (Medizin, Treibstoffe, etc.) oder zellulären Computern aus komplett künstlichen, biologischen Systemen.

Technik und Technologie

Ablauf der Zellprogrammierung

  1. DNA Extraktion: Mit Hilfe von DNA Isolationskits kann DNA aus natürlichen Zellen extrahiert werden. Diese können ziemlich leicht online bestellt werden.
    Isolationskit
  2. DNA Sequenzierung: Umwandlung der extrahierten DNA-Sequenz in digitalen DNA-Code. Die Technologie für die DNA-Sequenzierung ist weitgehend automatisiert und wird von spezialisierten Firmen durchgeführt. In den letzten Jahren sind die Kosten für die DNA-Sequenzierung exponentiell gesunken. Durch die Nanopore-Sequencing-Methode kann eine dezentrale Sequenzierung von DNA mittels eines USB-Sticks erfolgen. Dadurch fallen immer größere Datenmengen an.
    Quelle: Oxford Nanopore Technologies via Youtube
  3. DNA Synthese: Auf Grundlage des DNA-Codes werden neue DNA-Fragmente zusammengestellt. Auch hier sind spezialisierte Unternehmen tätig. Im Vergleich zur Sequenziertechnologie erfolgt die Entwicklung bei der Synthesetechnologie langsamer. Es ist aber zu erwarten, dass in Zukunft ähnliche Fortschritte gemacht werden.
  4. DNA kopieren: Die Vervielfältigung der DNA erfolgt mit Hilfe der PCR (Polymerase Chain Reaction).
    Quelle: MrSimpleScience via YouTube
  5. DNA einfügen: Die Sequenz wird in ein Plasmid eingefügt. Mit dem Verfahren namens "Gibson Assembly" werden DNA-Sequenz und Plasmid verbunden.
  6. Transformation: Plasmide werden in Zellen eingebracht.
  7. Inkubation: Bakterien werden im Nährmedium vermehrt, um möglichst viel am gewünschten Protein zu produzieren.
  8. Protein-Extraktion: Mit Hilfe von Protein-Extraktionskits können Zellen zerstört und das gewünschte Protein extrahiert werden.
Die Nähe zu den Ingenieurwissenschaften wird auch in der DNA-Programmiersprache SBOL (Synthetic Biology Open Language) sichtbar, mit der Zellen designt werden. Ein wichtiges Thema ist die Laborautomation: Der bisherige Prozess erfordert viele manuelle Arbeitsschritte mit der Pipette. Es gibt aber schon erste Prototypen für automatisierte Lab-on-a-Chip-Anwendungen (OpenDrop).
Quelle: GaudiLabs via YouTube

Auch Gen-Datenbanken werden eine wichtige Rolle einnehmen, um die Fülle an Daten aus der DNA Sequenzierung zu speichern.

Probleme und Risiken der Synthetischen Biologie

Der Grundgedanke der Synthetischen Biologie, basiert auf den Glauben an die Reduktion von Komplexität biologischer Organismen, durch das Weglassen unnötiger Funktionen. Hierin liegt aber auch das Problem: durch diesen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz werden programmierte Organismen erzeugt, die eine stabile Umgebung benötigen. Natürliche Zellen sind überlebensfähiger, da sie mit ihrer Umwelt interagieren und Veränderungen ("informationstechnisch") verarbeiten können. Relevante Informationen sind nämlich nicht nur in der DNA hinterlegt, sondern auch in der Zelle selbst oder liegen als epigenetische Informationen vor. Natürliche Zellen sind daher wesentlich antifragiler als ihre künstlich erzeugten Pendants.

Neben der Fragestellung ob Patente auf Gene überhaupt angewandt werden sollten, ist ein anderes Thema von hoher Brisanz. Es ist zu erwarten, dass es in Zukunft durch technologischen Fortschritt möglich sein wird, Arbeitsschritt Nummer 3, die DNA-Synthese, dezentral durchzuführen. Der OpenDrop Prototyp ist ein erster Fingerzeig in diese Richtung. Die Applikation bewegt Flüssigkeiten automatisiert durch Anlegen einer elektrischen Spannung und spart enorm an Zeit verglichen mit den herrkömmlichen Pipettiervorgängen. Wenn künstliche Organismen dezentral erzeugt werden können, erhöht sich aber dadurch das Risiko, dass gefährliche Organismen in die Umwelt gelangen. Flächendeckende Kontrollen wären in diesem Fall nur schwer durchführbar. Nach dem Vorsorgeprinzip wäre die Aussetzung einer Bedrohung mit unabsehbaren Folgen zu unterbinden.


Verantwortlich: Ioannis Alexiadis


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Literatur:

Alistar, Mirela; Gaudenz, Urs; Jung Kim, Hyun: OpenDrop: An Integrated Do-It-Yourself Platform for Personal Use of Biochips. Journal of bioengineering 4, 2017.

Trojok, Rüdiger: Biohacking – Gentechnologie für alle. Franzis Verlag, 2016.