Das Leben, während wir es wachsen: Die Versprechen und Gefahren der synthetischen Biologie

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Was wäre, wenn Sie eine Brotmaschine zu Ihrer persönlichen Apotheke machen könnten? Oder den Benzintank mit Treibstoff aus Grasschnitt füllen? Oder zünden Sie Ihr Haus mit leuchtenden Zimmerpflanzen an? Diese Ideen sind zwar radikal im Konzept, aber erstaunlich praktisch und bereits in Arbeit.

Forscher stellen sich die Biologie neu vor, um aus der inhärenten Produktivität lebender Dinge eine völlig neue Methode zur Herstellung von Lösungen für reale Probleme zu machen. Diese Wissenschaftler sagen, dass die synthetische Biologie in Kürze zu der wachsenden Liste revolutionärer Technologien - wie Autos, Smartphones und dem Internet - gehören wird, die uns zunächst verängstigt oder überrascht hat, seitdem jedoch so allgegenwärtig und notwendig geworden ist, dass wir sie für selbstverständlich halten .

Bei der synthetischen Biologie geht es im Grunde um die Herstellung von DNA von Grund auf, von einzelnen Molekülen bis hin zu Zellen, Geweben und sogar ganzen Organismen. Das Ziel des Feldes ist es, brandneue biologische Systeme zu entwerfen und zu bauen, um tödliche Krankheiten auszurotten, bessere Materialien herzustellen und die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen zu reduzieren.

"Es ist schwer vorstellbar, welche Übergänge von der synthetischen Biologie ausgehen", sagt Juan Enriquez, Mitbegründer von Synthetic Genomics, einem in Kalifornien ansässigen Unternehmen, das Technologien für das Genom kommerzialisiert. "Es klingt vielleicht dunkel und fern von dem, was Sie tun", sagt Enriquez, aber die Arbeit dieser Wissenschaftler wirkt sich auf jeden von uns aus. "Dieses Zeug wird dein Leben verändern."

Evolution von Design

Um diese neue Grenze der Wissenschaft zu erkunden, arbeitete Discover mit Synberc zusammen, einem Forschungskonsortium synthetischer Biologen und Ingenieure aus Stanford, Harvard, dem MIT, der Universität von Kalifornien in San Francisco und der UC Berkeley. Wir haben neun bahnbrechende Forscher auf dem rotgedeckten Campus in Berkeley versammelt, um die Werkzeuge zu beschreiben, die Anwendungen zu besprechen und die ethischen Konsequenzen dessen, was es bedeutet, Leben zu gestalten, zu besprechen, in einer Veranstaltung, die von Corey Powell, der Chefredakteurin von Discover, geleitet wird .

"Stellen Sie sich diese Leute als Entdecker vor, die kommen, um Berichte über die Grenzen der bekannten Welt zu geben", sagt Enriquez, der Hauptredner. Was sie finden, ist nicht nur neu. Es zeigt Möglichkeiten auf, von denen wir nicht einmal wussten, dass sie existierten. Enriquez sagte der Gruppe, dass er der Meinung ist, dass die Arbeit synthetischer Biologen die Zukunft der menschlichen Spezies verändern könnte. "Wir gehen tatsächlich von einem Homo sapiens zu einem Homo evolutis über - eine Kreatur, die die Evolution direkt und gezielt zu ihrem eigenen Design zu entwickeln beginnt."

Ein reiches Erbe

Das aufstrebende Gebiet der synthetischen Biologie basiert auf einer soliden wissenschaftlichen Grundlage, die durch jahrzehntelange Forschung in der Biotechnologie und Gentechnik aufgebaut wurde. In der Landwirtschaft beispielsweise transferieren Forscher Gene aus anderen Organismen in Kulturen, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten. "Wir setzen Insektenresistenzmerkmale und Herbizidtoleranzmerkmale ein", sagt Steve Evans, der bei Dow AgroSciences arbeitet. „Meistens stammen sie entweder aus Bakterien oder aus anderen Pflanzen.“ Die daraus resultierenden Ernten haben die Art und Weise, wie Landwirte unsere Lebensmittel anbauen, grundlegend verändert.

Evans verfolgt das vergangene Jahrhundert inkrementeller Fortschritte auf dem Gebiet der Biotechnologie am Beispiel des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis . Einige Stämme dieser Bakterien produzieren ein Protein, das das Verdauungssystem einer bestimmten Insektengruppe lähmt, so dass sie verhungern. Das Bakterium zielt auf landwirtschaftliche Schädlinge wie Maiswurzelbohrer und Kartoffelkäfer, lässt Bestäuber wie Bienen jedoch unverletzt.

Die Landwirte begannen Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Einsatz des biologischen Pestizids auf ihren Feldern. Mitte des Jahrhunderts hatten Wissenschaftler das toxische Protein der Bakterien isoliert und konnten es in ausreichend großen Mengen herstellen, um es als Sprühinsektizid zu vermarkten.

Dann kurbelten die Wissenschaftler die Zoomobjektive an ihren metaphorischen Mikroskopen noch weiter an, um sich auf die spezifischen Gene in den Bakterien zu konzentrieren, die für die Produktion des toxischen Proteins kodierten. Als sie diese Gene in Erbgut-Genome inserierten, gelang es den Pflanzen, durch eine Technik, die als rekombinante DNA bezeichnet wird, das Protein für die Insektenresistenz selbst herzustellen, wodurch das Insektizidspray nicht mehr gesprüht werden muss.

Die erste gentechnisch veränderte, schädlingsresistente Ernte auf dem Markt war eine Kartoffel, deren Gene durch die von Bacillus thuringiensis ergänzt wurden . Seit die EPA die Bt-Knolle 1995 zugelassen hat, sind die Reaktionen der Öffentlichkeit auf diese und andere modifizierte Kulturen gemischt. Während die bahnbrechende Bt-Kartoffel keinen kommerziellen Erfolg zeigte, sind gentechnisch veränderte Mais, Sojabohnen und Baumwolle heute für die große Mehrheit der Landwirte in den Vereinigten Staaten zur Norm geworden. Obwohl die Gentechnik umstritten ist, hat sie die Landwirtschaft in eine gut geölte und fein abgestimmte biologische Maschine verwandelt, die die wachsende Weltbevölkerung ernähren soll.

Steve Evans (links) erforschte landwirtschaftliche Anwendungen der Biotechnologie und half bei der Entwicklung einer Reihe von Hybridsaatgut, das zu Pflanzen wird, die gegen Insekten resistent und herbizidtolerant sind. Virginia Ursin (Mitte) hat eine Reihe von Gentechnologien erfolgreich produziert und patentieren lassen, und sie hofft, schließlich Mais herstellen zu können, der Stickstoff aus der Luft in brauchbares Ammoniak umwandeln kann. Jay Keasling (rechts) entwickelt Mikroorganismen, um lebensrettende Medikamente, energiesparende Brennstoffe und verbesserte Materialien herzustellen - eine Arbeit, die ihm 2006 den Titel Discover Scientists of the Year verlieh.

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Biologie neu erfunden

Das Auffinden solcher neuen und unterschiedlichen Verwendungszwecke für die Biologie ist daher konzeptionell nicht neu. Die Entnahme von Genen aus einem Organismus in einen anderen hat das Potenzial der Biotechnologie sowie ihre Grenzen aufgezeigt. Bei Techniken wie rekombinanter DNA erfordert das Finden der richtigen Genomsequenz in einem Organismus, um die Expression bestimmter Proteine ​​oder Merkmale in einem anderen Organismus auszulösen, ebenso viel Glück wie Geschicklichkeit.

"Wir verfolgen einen sehr empirischen Ansatz", sagt Virginia Ursin, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Monsanto, dem Unternehmen, das die käferresistente Bt-Kartoffel entwickelt hat. Bei diesem Ansatz müssen Pflanzengenome immer wieder angepasst und getestet werden, bis die Forscher eine Kombination von Genen finden, die funktionieren. Bei der Bt-Kartoffel gelang es ihnen, das richtige Gen zu finden und einzubauen. Im Gegensatz dazu ist Ursin nach über 30 Jahren des Versuches, Mais herzustellen, der atmosphärischen Stickstoff in verwertbares Ammoniak umwandeln kann, anstatt sich auf Düngemittel zu verlassen, noch weit davon entfernt, einen Weg zu finden. "Eine der Visionen [der Biotechnologie] bestand darin, Mais Stickstoff zu fixieren", sagt Ursin. „Das war 1982; es ist noch nicht gemacht worden. Es spricht für die Komplexität davon. “

Die synthetische Biologie bietet einen kalkulierteren Ansatz zur Modifizierung der Genetik. Es ist nicht auf das Ausprobieren empirischer Methoden angewiesen. Es ist auch nicht auf das Ausmaß vorhandener Genome beschränkt. Als jüngstes Upgrade für biologische Ingenieurmethoden ermöglicht die synthetische Biologie den Forschern die Erzielung neuer und vorhersagbarer genetischer Ergebnisse anhand mathematischer und technischer Prinzipien. Diese Forscher können neue Genome in einem viel kürzeren Zeitraum entwerfen, testen und bauen.

Stellen Sie sich das so vor: Das Automobil war eine nützliche Innovation, aber bis zum Aufkommen der Montagelinie war es für die meisten Menschen nicht verfügbar. Nachdem dieser kritische Block überwunden war, hat die Erreichbarkeit von Autos sie in weiten Teilen der Welt allgegenwärtig gemacht. Sie haben verändert, wie (und wo) wir leben. Ebenso können lebende Systeme entwickelt werden, um alle Arten von kritischen Problemen zu lösen, mit denen wir als Spezies konfrontiert sind, und dann für die Verbreitung in großem Maßstab hergestellt werden. Biological Engineering zielt darauf ab, Lösungen mit Absicht und Präzision zu entwerfen, anstatt herumzuschnüffeln, um sie zu finden, wie dies häufig bei der Gentechnik der Fall war.

"In der Gentechnik ist " Engineering "wirklich eine Fehlbezeichnung, weil dort nicht viel Engineering steckt", sagt Jay Keasling, Direktor von Synberc. Im Gegensatz dazu bietet die synthetische Biologie eine ausgefeilte und fein abgestimmte Steuerung mit zuverlässigen, reproduzierbaren Ergebnissen. Durch das Einfügen von DNA in ein Engineering-Template entsteht aus dem chaotischen Bereich der Biologie ein komplexes, aber etwas vorhersehbares System, das synthetische Biologen in den letzten Jahren zu manövrieren begonnen haben.

Living-Lösungen gestalten

Christina Smolke, Associate Professor für Bioengineering in Stanford, beschreibt die Arbeit synthetischer Biologen in einfachen Worten. "Es kodiert Ihr Programm im Grunde in DNA", sagt sie. In natürlichen, unveränderten Organismen kodiert jede DNA-Sequenz in einem Genom für ein bestimmtes Ergebnis, ausgedrückt als Protein, das die Qualität des Individuums oder sogar der Spezies als Ganzes bestimmt. Wenn ein synthetischer Biologe Fremd-DNA baut und in eine Zelle einfügt, liest diese Zelle den Code so, als wäre er ihr eigener Code. Seine zelluläre Maschinerie wird das Programm ausführen, indem er dasselbe Protein wie der einheimische Organismus produziert und neue Eigenschaften annimmt, genau wie bei rekombinanten Techniken.

Die Kunststoffingenieure gehen noch einen Schritt weiter und mischen und passen diese Stücke an, um völlig neue Ergebnisse zu erzielen. „Ich denke, für viele Leute, die das Engineering abschließen, sind sie vom Design motiviert“, sagt Smolke. „Sie wollen Dinge herstellen und bauen, anstatt nur bestehende Systeme zu studieren.“ Diese biologischen Systeme können speziell auf die Probleme der realen Welt zugeschnitten werden.

"Wenn wir alle globalen Herausforderungen betrachten, vor denen wir stehen, sei es Krankheit oder Hungersnot oder sichere, saubere und umweltfreundliche Materialien, dann denke ich, [synthetische Biologie] wäre der natürliche Ort, um nach Lösungen zu suchen" sagt Douglas Densmore, Ingenieur für Elektrotechnik und Biologe, jetzt Assistenzprofessor in der Abteilung für Elektrotechnik und Computertechnik an der Boston University. Lösungen für diese Probleme werden durch natürliche Selektion nicht in absehbarer Zeit auf magische Weise erscheinen. Daher sagt Densmore, dass wir proaktiv sein und stattdessen Lösungen entwickeln müssen. „Wir haben uns beim Entwickeln physikalischer Systeme in der Welt wirklich gut verstanden. Ich habe [die Entwicklung biologischer Systeme] immer als einen natürlichen nächsten Schritt gesehen. "

Leben programmieren

Densmore sagt, dass die drei Teile, die für jedes Engineering-Projekt erforderlich sind, seien es Computerchips oder lebende Zellen, klar sind: Überlegen Sie, was Sie zu bauen versuchen; die spezifischen Teile, die Sie benötigen, um es zu bauen; und deine Zwänge. Wenn Sie ein solches System einmal heruntergebrochen haben, "können Sie sich jeden dieser Teile auf eine sehr systematische Weise ansehen", sagt Christopher Voigt, außerordentlicher Professor für Biotechnologie am MIT.

In der synthetischen Biologie liegen diese standardisierten Teile in Form von DNA-Schnipseln vor, die in Buchstabenketten codiert sind und jeweils ein Nukleotid im Alphabet des Moleküls selbst darstellen. Die Herausforderung der Ingenieure besteht darin, Genome von Grund auf zu bauen, indem diese kleinen, aber spezifischen Stücke genetischen Materials kombiniert werden. Für jedes Snippet müssen Wissenschaftler herausfinden, wie es von alleine funktioniert und wie sich diese Funktion ändert, wenn sie mit anderen Teilen kombiniert wird.

Als Voigt vor einem Jahrzehnt mit der technischen Biologie begann, schnitt er buchstäblich Buchstabenketten in Microsoft Word ab. Er merkte sich die Funktionen für jede bestimmte DNA-Sequenz und versuchte, sie zu funktionierenden Genomen zusammenzusetzen. Diese Methode war zeitaufwändig und die Ergebnisse waren mit Fehlern durchsetzt.

Heute beginnen Wissenschaftler, mögliche Genome mithilfe komplexer Computeralgorithmen zusammenzusetzen, die die Sequenz- und Regelspeicherung für sie übernehmen. In vielerlei Hinsicht wird das Schreiben von DNA-Code wie das Schreiben von Computercode, aber anstelle von Einsen und Nullen wird es in As, Cs, Ts und Gs geschrieben - Abkürzungen für die vier miteinander verbundenen Nukleotide, die die leiterartige Struktur von DNA bilden. Diese aus vier Buchstaben bestehende Sprache des Lebens ermöglicht es Wissenschaftlern, in biologische Systeme zu schauen und zu versuchen, sie neu zu programmieren.

Die Programmierung hat Densmore in erster Linie in die synthetische Biologie hineingezogen. Vor einigen Jahren forschte Densmore als Postdoktorand in Berkeley, als Voigt ihn beauftragte, ein Prototyp-Computersystem zu entwickeln, das den Testprozess des biologischen Ingenieurwesens rationalisierte, um Redundanzen zu vermeiden. "Im Moment haben wir die DNA, wir bauen Dinge, wir lernen, wir geben sie wieder in die Algorithmen ein, und wir machen diese Schleife weiter", sagt Densmore. Als Analogist vergleicht er es mit dem Bau von Autos. Wir müssen nicht jedes Auto einem Crash-Test unterziehen, um zu wissen, wie es hält. Wir testen ein paar, um herauszufinden, was funktioniert und was nicht, und geben diese Ergebnisse in eine wachsende Datenbank ein, um zukünftige Designs zu informieren.

Das ultimative Ziel ist natürlich, Konstruktionen mit vorhersagbaren Ergebnissen zu erstellen. Möchten Sie eine Pflanze schaffen, die grün leuchtet, wenn Stickstoff fehlt? Densmore stellt sich einen Tag vor, an dem Sie ein solches Ergebnis in einen Computer eingeben können, dessen Algorithmen die Datenbanken bekannter Funktionen durchsuchen und die spezifische DNA-Sequenz finden, die zum Erreichen dieses Ziels erforderlich ist.

Vom Labor zum Wohnzimmer

An diesem Punkt findet die synthetische Biologie hauptsächlich auf Labortischen statt, aber diese Technologie ist für den allgemeinen Gebrauch gedacht und wird für den allgemeinen Benutzer zugänglicher. (Siehe „Biologische Technik im Untergeschoss“, Seite 3). Die Anwendungen für die Biotechnologie sind also nur durch unsere kollektive Vorstellung begrenzt.

"Weil Sie es als Engineering behandeln, sind die Dinge, die Sie tun können, wesentlich umfangreicher", sagt Keasling. „Sie können synthetische Biologie betreiben, um ein Produkt herzustellen, und diese Produkte sind in der Regel Produkte, für die sich die Evolution nicht ausgesucht hätte - wie zum Beispiel ein Kraftstoff - oder dass die Evolution nicht genug technische Mikroben für die Herstellung von Artemisinin produzieren würde. ”

Vor zwölf Jahren fand Keasling in seinem Labor in Berkeley heraus, wie man Bäckerhefe so programmiert, dass ein chemischer Vorläufer für Artemisinin, das potenteste Malariamittel der Welt, entsteht. „Wir haben die Gene aus der Wermutpflanze genommen und in eine Hefe gegeben“, erklärt Keasling. Die Hefe frisst Zucker und spuckt mit dem genetischen Code aus dem Wermut als Bauplan Artemisinsäure aus, eine Vorstufe des Arzneimittels. "Es ist ein Prozess, der wie das Bierbrauen ist", sagt Keasling.

Eine schnelle chemische Umwandlung macht aus der Säure eine halbsynthetische Version des Medikaments, die im April auf den Markt kam. Das pharmazeutische Unternehmen, das die Technologie lizenziert hat, plant, jährlich 100 Millionen Malariabehandlungen herzustellen, die 25 bis 33 Prozent des weltweiten Bedarfs decken. (Siehe „Bessere Malaria-Medikamente brauen“, Seite 3).

Fossilen Brennstoffen den Stiefel geben

Keasling sieht diese mikrobiellen Fabriken auch als Lösung für die Energiekrise. "In der Tat ist Artemisinin einem guten Dieselkraftstoff nicht zu weit entfernt", sagt er. Benzin, Diesel und Düsentreibstoff werden aus Rohöl gewonnen und raffiniert. Was früher organisches Material war, wurde Millionen von Jahren unter Druck gesetzt, wodurch energiereiche organische Moleküle, sogenannte Kohlenwasserstoffe, entstehen. Aber Keasling und seine Kollegen vom Joint BioEnergy Institute des US-Energieministeriums glauben, dass es eine bessere (und nicht zu schnellere) Möglichkeit gibt, um die Energie in organischen Materialien in Kohlenwasserstoffe umzuwandeln.

Die Methode von Keasling verleiht E. coli- Bakterien, die den Zucker abbauen und biologisch synthetisierte Kohlenwasserstoffe produzieren, die wie fossile Brennstoffe brennen und funktionieren, landwirtschaftliche Abfälle wie Maiskolben und Weizenstroh. Diese Kraftstoffe können nicht nur die Effizienz verbessern, sondern auch innerhalb unserer vorhandenen Verkehrsinfrastruktur funktionieren, so dass keine Notwendigkeit besteht, neue Autos oder Tankstellen zu konstruieren.

"Wir haben eine Milliarde Tonnen Biomasse, die in den USA jährlich nicht genutzt wird, und wenn wir daraus Kraftstoff machen könnten, könnten wir ungefähr ein Drittel des Bedarfs in den USA erzeugen", sagt Keasling. Da die Kraftstoffe nicht auf die Verbrennung von Erdölprodukten angewiesen wären, würde dies auch den CO2-Fußabdruck der USA um etwa 80 Prozent verringern.

Erdöl ersetzen

Die Bedeutung von Erdöl ist auch nicht auf das beschränkt, was wir in unsere Gastanks pumpen. Es umfasst auch einen Großteil der produzierten Welt um uns herum. Keasling benutzt den Stuhl, in dem er sitzt, als Beispiel. Der Sitz ist in einem Gewebe auf Petroleumbasis gepolstert und mit Füllstoff auf Petroleumbasis gefüllt. Der Holzrahmen ist mit einem Lack auf Erdölbasis beschichtet. Der Linoleumboden? Erdöl auch. Und auch dieses Polyesterhemd.

Keasling sagt, die Allgegenwart von Erdöl und die daraus abgeleiteten chemischen Produkte verdecken die Tatsache, dass sie nicht die besten Materialien für ihre jeweiligen Aufgaben sind. Warum ist der Teppich beispielsweise aus Nylon? "Es ist nicht, weil dies das beste Molekül für eine Faser ist", sagt Keasling. „Das können Sie mit Erdöl erreichen.“ Da wir heutzutage reichliche Mengen Rohöl für fossile Brennstoffe fördern und aufbereiten, ist es sinnvoll, auch die Nicht-Kraftstoff-Anteile zu verwenden.

Wenn Wissenschaftler Erdöl-basierte Kraftstoffe durch solche ersetzen können, die aus Zuckern gewonnen werden, so Keasling, sollten wir in der Lage sein, den gleichen Fermentationsprozess zu verwenden, um auch andere Chemikalien von Erdöl aus Zuckern abzuleiten. Keasling meint, es sei nur eine Frage der Zeit, bis Hersteller Erdölprodukte zugunsten profitablerer und nachhaltigerer Biosyntheseversionen auslaufen lassen. Eine Schlüsselkomponente in Keaslings Arbeit, sei es gegen Malariamittel oder Biokraftstoffe, ist die Tatsache, dass die Methoden Open Source sind und die Technologie in großem Umfang hergestellt werden kann.

Douglas Densmore (links), gelernter Elektroingenieur, gab den Bau von Videospielen zum Bau biologischer Schaltkreise auf. Der Vater von Christopher Voigt sagte ihm, dass es keine Zukunft im Computer gebe. Daher entschied er sich für die chemische Technik, die ihn zur synthetischen Biologie führte. Christina Smolke (rechts) studiert nicht nur Biologie. Sie war der Pionier beim Design und der Anwendung von RNA-Molekülen, um diese neu zu programmieren.

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Versprechen und Implikationen

Synthetische Biologen sind sich sehr bewusst, dass die Umgestaltung der Natur mit Risiken verbunden ist. Nie zuvor gesehene Genome könnten sowohl eine Spezies als auch ganze Ökosysteme destabilisieren. Die Folgen eines unbeabsichtigten Gentransfers könnten Jahrzehnte zurückliegen, aber Entscheidungen, die sich mit Fragen des Klimawandels und dem Verlust von Lebensräumen befassen, sind mit enormen Risiken verbunden, sagt George Church, der inoffizielle Pate der Biotechnologie.

In den 1980er-Jahren entwickelte Church eine der ersten Methoden für die direkte Genomsequenzierung. Dabei wurde die genaue Reihenfolge der DNA-Basenpaare bestimmt, die zur ersten kommerziellen Genomsequenz führte. Church leitet jetzt PersonalGenomes.org, das einzige Unternehmen, das frei zugänglichen genetischen Informationen anbietet. Als Professor für Genetik an der Harvard University ist er der Meinung, dass synthetische Biologie die gleichen Sicherheitsmerkmale haben sollte wie andere, allgemeinere Bereiche des Ingenieurwesens. Vielleicht mehr.

So wie das Testen von Autos Airbags und Crashtest-Dummys in einer kontrollierten Umgebung erfordert, sollten Genomtests mit Ökosystemen durchgeführt werden, die in einen realistisch komplexen, aber physisch isolierten Raum gebracht werden. Bei der Synthese von DNA können Sicherheitsmaßnahmen in Form von DNA erfolgen, die sich außerhalb einer definierten Umgebung nicht replizieren kann, oder aus genetischem Code, der geändert wurde, um den Austausch funktioneller Gene zwischen Organismen zu verhindern.

Die richtigen Gründe

„Wir haben die Pflicht, es richtig zu machen“, sagt Church. Die Synthese von Biologie allein aus Neugier ist nicht genug. Wiederbelebung von Arten, die wir zum Aussterben gebracht haben, nur weil wir es können. Die Gründe für die Synthese von Biologie müssen von Anfang an klar artikuliert, hinterfragt und geprüft werden.

Die Kirche sagt, die Wiederbelebung einer ausgestorbenen Spezies wie des Wollmammuts könnte gerechtfertigt sein, wenn sie auch ein Thema wie die Erhaltung des Lebensraums angesichts des Klimawandels anspricht. Er illustriert die Idee mit einem aufschlussreichen, wenn auch etwas unpraktischen Beispiel: „Der Permafrost, der mehr Kohlenstoff enthält als alle Regenwälder zusammen, ist durch einfaches Auftauen gefährdet, und ein großer Pflanzenfresser wie ein Mammut könnte ihn noch einige Jahrzehnte halten gegen die globale Erwärmung “, sagt Church.

Ein massives Mammut könnte durch den isolierenden Schnee schlagen, damit eiskalte Luft den Boden erreicht und kalt hält. Das pflanzenfressende Tier würde auch totes Gras fressen, wodurch neues Gras seine Wurzeln tiefer in den Boden schieben kann, um Erosion zu verhindern. Durch das Abreißen von Bäumen, die Sonnenlicht absorbieren, kann ein Mammut dazu führen, dass mehr Sonnenstrahlung reflektiert wird, wodurch der Effekt der Kühlung der Albedo auf den Permafrost erhöht wird.

Wie Church sind auch andere synthetische Biologen bereit, Risiken einzugehen, um das Feld voranzubringen. "Die Welt ist ein zerbrochener Ort", sagt Laurie Zoloth, Professor für Bioethik an der Northwestern University. Sie sagt, unsere Verantwortung und Verpflichtung besteht darin, das Problem zu beheben. Der Schlüssel liegt in der Schaffung eines transparenten Rahmens, der das wissenschaftliche Experimentieren ermöglicht. Dieser kann sowohl von staatlichen Regulierungsbehörden als auch von Nichtregierungsorganisationen genutzt werden, um gute, nachhaltige und gerechte Projekte zu verfolgen, sagt sie.

Wenn die synthetische Biologie wirklich der Beginn einer Revolution ist, möchte Zoloth eine Welt sehen, in der die Tatsache berücksichtigt wird, dass diese Revolution einigen von Nutzen sein kann, für andere jedoch katastrophal. Im Falle der Behandlung von Malaria kann halbsynthetisches Artemisinin Millionen von Todesfällen durch Malaria vorbeugen und gleichzeitig den Wermutmarkt für Kräuterlandwirte abwerfen.

Zoloth ist besonders fasziniert von den inneren moralischen Entscheidungen, die synthetische Biologen treffen müssen. „Wie schaffen Sie Wissenschaftler, die nicht nur mit all diesen verschiedenen technischen Fähigkeiten gut sind, sondern sehr gut darin sind, ethische Fragen, moralische Fragen und die Auswirkungen ihrer Arbeit ernsthaft zu hinterfragen und darüber nachzudenken? ”

Fein abgestimmte Tests

Drew Endy berücksichtigt solche Fragen, wenn er Stanfords Gentechniklabor leitet. "Die Dinge, die ich brauche und die, die ich tun möchte, und die Probleme, die ich direkt oder indirekt verursachen könnte, werden viele andere Menschen einbeziehen", sagt Endy. "Wir operieren heute noch weitgehend in einem System der Ignoranz, in Bezug auf Details der lebenden Welt." Aber Unbekanntheiten schließen nicht die Fähigkeit von Ingenieuren aus, in diesen Bereichen zu experimentieren, sagt er.

"Wir machen lebende Materie programmierbar", sagt Endy. Dies bedeutet, die Daten zu sammeln und den Code zu schreiben, der für das Engineering der Zellen, Organismen und Systeme erforderlich ist, die globale Probleme lösen können. Sobald synthetische Biologen die Algorithmen gefunden haben, können Lebewesen wie Hefe, Bakterien und sogar Gras Produkte und Lösungen abpumpen. "Biologie ist die ultimative verteilte Fertigungsplattform", sagt Endy.

In den nächsten Jahrzehnten erwartet Endy, dass biologisch ausgereifte Systeme auf der ganzen Welt in den Alltag integriert werden. Dies könnte in Form von Brotmaschinen kommen, die mit Hefe-Medikamenten aufgezogene Brote auskurbeln. Oder persönliche Produktionsanlagen, die aus Yard-Abfällen Kraftstoff machen. Endy stellt sich eine Welt vor, in der „die Menschheit herausfindet, wie wir die Herstellung der Dinge, die wir brauchen, neu erfinden, damit wir sie in Partnerschaft mit der Natur schaffen können. Nicht um die Natur zu ersetzen, sondern um besser damit zu tanzen. “

Die Bioethikerin Laurie Zoloth (links) beschäftigt sich nicht mit der sich schnell ändernden Wissenschaft der synthetischen Biologie selbst, sondern mit dem Einfluss dieser Technologie auf den moralischen Kompass der Frauen und Männer, die sie entwickeln. Im Colbert-Bericht im vergangenen Herbst musste George Church (Mitte) den Wirt davon abhalten, eine DNA-Probe zu essen, in der Church den Text aus 20 Millionen Exemplaren seines neuesten Buches Regenesis codierte: Wie synthetische Biologie die Natur und uns selbst neu erfinden wird . Drew Endy (rechts) wurde für seine Arbeiten zur Neugestaltung von Genomen und zur Entwicklung genetisch codierter Computer zu einem der 75 einflussreichsten Menschen des 21. Jahrhunderts von Esquire und zu einem der Champions of Change 2013 von Barack Obama ernannt.

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Biologische Technik im Keller

Synberc-Direktor Jay Keasling warnt davor, dass es lange dauert, bis Biologie industrielle Stärke erreicht hat. Die Technologie wird jedoch immer zugänglicher. „Je billiger es wird und je einfacher es ist, Biologie zu entwickeln, desto demokratischer wird das Feld“, sagt er.

"Die Idee, dass Sie eine sehr große Anzahl komplexer Gene synthetisieren und in einem FedEx-Paket liefern könnten, war etwas, das vor einem Jahrzehnt nicht praktikabel war", sagt Steve Evans von Dow AgroSciences. Aber heute machen viele Labore für synthetische Biologie genau das. Sie lagern ihre DNA-Synthese aus und haben sie innerhalb weniger Tage an ihre Türen geliefert. Auch der Preis für die Synthese sinkt, was die Idee der Bürgerwissenschaftler, die synthetische Biologie in Heimlabors durchführen, machbar macht. Die Website einer Synthesefirma kann bis zu 500 DNA-Basenpaare für nur 99 US-Dollar synthetisieren und die Sequenz innerhalb von vier bis sieben Werktagen verschicken.

An diesem Punkt sagt Evans jedoch, dass die meisten Do-it-Yourself-Projekte immer noch versuchen, grundlegende Dinge zu tun. Nehmen Sie das Projekt Kickstarter, um eine Pflanze zu konstruieren, die zum Beispiel grün leuchtet, oder Keaslings Idee, Hefen herzustellen, die Zucker in brandneue Bieraromen umwandeln.

Obwohl sie einfach erscheinen, erfordern solche technischen Fähigkeiten immer noch ein ausgeprägtes Verständnis der Biologie - etwas, das laut Keasling nicht unterschätzt werden sollte. Es ist nicht so einfach wie ein Elektronik-Kit oder ein Erector-Set, aber Keasling geht davon aus, dass Spielwarenläden in ein paar Jahren das altmodische Chemie-Set, mit dem er als Kind gespielt hat, riffeln können, indem er mit einem Heimwerker nach Hause kommt Biologie-Version.


Brauen besser Malaria-Medikamente

Das Malariamedikament Artemisinin stammt normalerweise von einem chinesischen Kraut namens Süßer Wermut ( Artemesia annua L. ) und ist für den Malariaparasiten Plasmodium falciparum toxisch. Die Nachfrage nach dieser pflanzlichen Version des Arzneimittels ist hoch, seit 2005 von der Weltgesundheitsorganisation offiziell in Kombination mit anderen Malariamedikamenten als Erstlinienbehandlung gegen Malaria empfohlen wurde.

Der Preis und die Verfügbarkeit der kommerziell angebauten Pflanze sind jedoch oft instabil, sagt Synberc-Direktor Jay Keasling. Die Verbindung ist zu kompliziert, um sie chemisch zu synthetisieren. Daher suchte er die Biologie, um einen besseren Weg zu finden.

Keasling nahm Gene aus Wermut und steckte sie in Bäckerhefe. Diese einzelligen Organismen verwenden die Anweisungen aus dem Wermut, um Artemisininsäure herzustellen, eine Vorstufe des Arzneimittels. Diese Säure muss noch in Artemisinin umgewandelt werden, bevor sie als Medikament verwendet werden kann. Forscher haben jedoch kein Enzym gefunden, das eine solche Veränderung auslöst. Stattdessen spekulieren einige Wissenschaftler, dass Sonnenlicht die Säure im Wermut in Artemisinin umwandeln könnte. Sie ahmen diese Aktion im Labor nach und verwenden eine photokatalytische Reaktion, um das Medikament für die Malariamethode vorzubereiten.

Keasling und seine Kollegen haben im April auch eine Methode zur chemischen Umwandlung der Säure in Nature veröffentlicht. Der Artikel kann kostenlos gelesen werden, ohne Abonnement. Sie lizenzierten die Produktion auch lizenzgebührenfrei an den Pharmahersteller Sanofi, so dass das Medikament in gleichbleibendem Umfang mit großen Mengen versorgt und zu Kosten verkauft werden kann, um Patienten mit der Krankheit weltweit zu behandeln.

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