LEBEN IM LABOR ERSCHAFFEN

Ehrgeizige Biochemiker wie Craig Venter geben sich mit der Entschlüsselung des Lebens nicht zufrieden. Sie wollen selber Schöpfer sein. Roboter rattern unaufhörlich und verschieben Dutzende Reaktionsgefäße Zentimeter um Zentimeter. Darüber hängt ein Gewirr flachmanngroßer Flaschen, aus denen die Zutaten für die Gene des Lebens unablässig in die Gefäße sickern. Die Zutaten sind die chemischen Bausteine der DNA, jenes Moleküls, das den Bauplan des Lebens codiert. In den Räumen der Regensburger Firma Geneart im Regensburger Biopark steht das Fließband der Designer-Gene selten still. „24 Stunden am Tag, notfalls 7 Tage die Woche” laufe es, wie der Vorstandsvorsitzende Ralf Wagner sagt. Das Geschäft mit der „synthetischen Biologie” floriert – nicht erst, seit Craig Venter gleich einen ganzen Satz synthetischer Gene für ein künstliches Bakterien-Chromosom in der Oberpfalz geordert hat. Die Rede ist von Craig Venter, der sich einen Wettlauf mit öffentlichen Forschungseinrichtungen lieferte, um das menschliche Genom zu entschlüsseln. Von jenem Craig Venter, der den Code seines Genoms im Internet veröffentlicht hat (siehe Kurzporträt auf S. 30). Und von jenem Craig Venter, der sich anschickt – unter anderem mit der Gen-Kunst aus Regensburg – eine Zelle genetisch komplett neu zu programmieren, so wie man einen Computer neu programmiert. Es wäre eine ebenso spektakuläre wie umstrittene Großtat der synthetischen Biologie. Für Venter, nicht für Wagner. Für den Regensburger bedeutet das Schlagwort nicht mehr als die „Fortführung der seit 30 Jahren bekannten Gentechnologie mit anderen Mitteln”. Ein Statement, in dem allerlei Understatement steckt. Denn andere bewerten diesen Versuch spektakulärer. James Collins etwa von der Boston University erkennt eine „ Revolution” in der Biologie. Und das, obwohl die Definition des Begriffs „synthetische Biologie” keineswegs eindeutig ist und die Ziele der einzelnen Forschergruppen stark voneinander abweichen: Die einen wollen mit SynBio – so die kennerhafte Abkürzung – „ ganz bodenständig”, wie Wagner sagt, „herkömmliche Organismen verändern, um neue Medikamente und Impfstoffe zu finden und effektiv herzustellen”. Sie wollen die Biologie mit der Ingenieurkunst vereinen, wollen Biobausteine schaffen, die in eine Art standardisierten Bastelkasten der Gene münden sollen. Andere, für die Venter spricht, wollen das auch – aber mit nichts Geringerem als künstlichem Leben. „Die synthetische Biologie wird in den kommenden 20 Jahren der Standard, um alle möglichen Produkte herzustellen”, prophezeite er unlängst auf einer Konferenz in München – was unter anderem die Energieprobleme der Menschheit sauber lösen soll. Wieder andere, wie die Biochemiker Pier Luigi Luisi und Giovanni Murtas aus Rom, feilen ebenfalls an künstlichem Leben, allerdings mit völlig neuen Ansätzen – nämlich mit artifiziellen Gen- und Proteinsystemen, die zu einer wahren zweiten Schöpfung nach vier Milliarden Jahren führen könnten. „Gerade solche Strategien werden unsere gewohnte Vorstellung von Leben fundamental verändern”, urteilt der Biologe und Sicherheitsforscher Markus Schmidt von der Organisation für Internationalen Dialog und Konfliktmanagement (IDC) in Wien. EIN GEN ZUM PREIS EINES Fernsehers Derlei akademische Fragen zur Evolution des Lebens interessieren die „Gen-Künstler” aus der Oberpfalz allenfalls am Rande. Geneart ist einer der weltweit führenden Gen-Hersteller. Fast alles in dem würfelförmigen Firmengebäude im Biopark Regenspark ist „feine Hochtechnologie”, wie Wagner schwärmt. Am Anfang, um die Jahrtausendwende, sei die Produktion eines Gens „ mit über 7 Euro pro Baustein irrsinnig teuer” gewesen: Für ein durchschnittlich langes Gen mit 1000 bis 2000 Bausteinen fielen 7000 bis 14 000 Euro an. Durch zunehmende Automatisierung und Optimierung des Produktionsprozesses kostet ein Baustein heute nur noch 80 Cent, Tendenz fallend. Die Discount-Preise „haben den Markt geöffnet”, sagt der Geneart-Chef. Und SynBio den entscheidenden Kick gegeben: Sich ein Gen nach Maß basteln zu lassen, ist heute so erschwinglich wie ein Flachbildfernseher. Zwei Millionen Bausteine kann das Unternehmen monatlich synthetisieren – Rohstoff für alle möglichen Experimente, die jetzt zehn- bis hundertmal schneller ablaufen können als noch vor ein paar Jahren. So lässt sich beispielsweise im Handumdrehen beleuchten, wie sich bestimmte Mutationen in einem Gen auswirken. Das ist unter anderem in der medizinischen Forschung wichtig. Der Austausch von genetischen Bausteinen kann aber auch die Effektivität eines Impfstoffs entscheidend verbessern – und seine Sicherheit. So haben die Regensburger Wissenschaftler mit Mitteln der synthetischen Biologie ein Vakzin gegen den Aids-Erreger HIV hergestellt. Die Sequenz einiger Gene des Virus ist dabei so verändert, dass der Impfstoff, der aus nackter Erbsubstanz besteht, „das Immunsystem effektiv stimuliert, um Menschen zumindest teilweise vor der Infektion zu schützen”, wie Ralf Wagner sagt. Eine erste Sicherheitsstudie mit menschlichen Probanden hat das Produkt bereits bestanden – ein früher Schritt, der noch keine Beurteilung der Erfolgschancen erlaubt, gerade angesichts der großen Rückschläge in der Aids-Impfstoffentwicklung. MIT VIREN HEILEN Noch sind derlei unspektakulär erscheinende Erfolge das tägliche Brot in der synthetischen Biologie. Das weiß auch James Collins von der Universität Boston. Doch mit seinem Doktoranden Timothy Lu hat er ein genetisches System entworfen, das die visionären Möglichkeiten andeutet: Biofilme sind Aggregate von Bakterien, umhüllt von einer „schleimigen Schicht”, wie Lu sagt. Diesen Schutzwall können Antibiotika, die Bakterien zerstören, nur schwer durchdringen. Deshalb setzt das Bostoner Team auf Phagen – Viren, die ausschließlich Bakterien befallen. Doch um an die Bakterien heranzukommen und sie zu töten, muss ein Phage zunächst die Schleimschicht zersetzen. Darum verpflanzte Lu dem Phagen T7 mit Mitteln der synthetischen Biologie kurzerhand ein Gen, das den Bauplan für ein entsprechendes Enzym trägt: Dispersin B löst die Hülle des Biofilms einfach auf. Das Besondere: Das Gen lässt sich zeitlich so präzise steuern, dass es erst dann aktiv wird, wenn man es wirklich braucht. In einem ersten Test ließen die Forscher ihren Designer-Phagen auf einen Biofilm des Bakteriums Escherichia coli los. Dabei, erklärt Lu, „ gingen 99,99 Prozent der Mikroben zugrunde”. EIN GEN-BAUKASTEN Jetzt wollen die beiden Bostoner eine Art Bibliothek aus verschiedenen Phagen kreieren, die unterschiedliche Bakterien befallen. Sie konstruieren die Varianten nach dem Baukasten-Prinzip – „plug and play”, wie Collins sagt. Genetische Module sollen so kombiniert werden, dass sie stets die richtigen Enzyme produzieren, um die unterschiedlichen Biofilme zu „knacken” . Derlei Bio-Bausteine sind ein zentrales Element in den Vorstellungen von SynBio. „Im Maschinenbau oder in der Computertechnik gibt es seit Langem standardisierte Module”, sagt Ralf Wagner und gibt das Ziel vor: Genauso wie Ingenieure aus Elektroden, einem Transformator und einem Widerstand je nach Wahl etwa einen Fön oder ein Radio konstruieren können, genauso produzieren die zukünftigen Bio-Ingenieure aus maßgeschneiderten genetischen Modulen biologische Systeme für Anwendungen aller Art. Sie verändern nicht länger nur einzelne Gene wie in der herkömmlichen Gentechnologie, sondern gleich ganze Gen-Systeme. Auch in diesem Sektor ist das Regensburger Unternehmen aktiv. Beispiel: In der Sequenz eines Gens steckt mehr als der bloße Bauplan für ein Protein. Die Abfolge der Buchstaben in oder vor einem Gen enthält auch diverse Anweisungen für dessen „Expression” – für die Umsetzung der Sequenz in ein Eiweißmolekül. Sie steuern, in welchem Umfang das betreffende Protein zu produzieren ist, damit beispielsweise die Bauchspeicheldrüse das Hormon Insulin wohldosiert erzeugt. In einem industriellen Fermenter für die Herstellung von Medikamenten kommt es dagegen auf die maximale Ausbeute des aktiven Proteins an. „Wir haben bestimmte Sequenzmotive identifiziert und standardisiert, die wir in den Bauplan für ein Protein einbauen können, um dessen Produktion zu optimieren”, sagt Wagner. Mit entsprechend standardisierten Steuerungs-DNA- Sequenzen lässt sich aber auch eine schwache oder mittelstarke Expression der Gene ankurbeln – gerade so, wie es gewünscht ist. Die entsprechenden Patente für den Verkauf an die pharmazeutische Industrie wurden bereits angemeldet. PatentIERTES LEBEN Patente sind auch für Craig Venter ein großes Thema. Schon Ende Mai 2007 ließ der US-Wissenschaftler vorsorglich sämtliche Gene patentieren, die sein noch zu erweckendes künstliches Minimal-Bakterium namens Mycoplasma laboratorium bestücken sollen. Die Vorgeschichte der Patent-Anmeldung reicht bis zur Jahrtausendwende zurück. Damals begann das Team in Rockville im Bundesstaat Maryland, systematisch Gene im Bakterium Mycoplasma genitalium auszuschalten. Dieses Bakterium hat eines der kleinsten natürlich vorkommenden Genome. Ziel: Herauszufinden, welche Gene ein Organismus zwingend zum Überleben braucht. Hintergrund: Je kleiner ein Genom ist, desto leichter lässt sich ein Organismus im Labor handhaben – und desto leichter später auch für Produktionsprozesse ausbeuten. Der jahrelange künstliche Selektionsprozess mündete in die patentierten Sequenzen für den zu schaffenden Minimal-Organismus. Wenn Venter Erfolg hat, wird Mycoplasma laboratorium das erste Lebewesen sein, das nicht mehr in seinem ureigenen Interesse Stoffwechsel betreibt, sondern völlig im Sinne menschlicher Absichten. Um zu beweisen, dass sich ein komplettes künstliches bakterielles Genom von gut 580 000 Bausteinen wirklich zusammenbauen lässt, schaltete der Forscher Gen-Synthese-Firmen wie Geneart ein, die für ihn kleine DNA-Stücke von 5000 bis 7000 Bausteinen herstellten. Durch innovative Verfahren hat das Venter-Team diese 101 Gen-Fragmente schrittweise zu immer größeren Ketten und schließlich zu einem komplett künstlichen bakteriellen Chromosom zusammengebastelt. Bis auf das Gen, das Mycoplasma genitalium infektiös macht, und einige hinzugefügte Gene gleicht die Neuschöpfung dem natürlichen Vorbild. Rein technisch gesehen kommt das Werk einem synthetisch-biologischen Husarenstück gleich. Denn je größer die DNA-Stücke werden, desto rascher zerfallen sie. „Leuchtturm-Projekte wie dieses müssen sein, um wissenschaftliche Hochtechnologien verständlich und publik zu machen”, findet Ralf Wagner. Allerdings, sagt der Regensburger, „liegt bislang nur ein großes Stück Chemie vor – das lebt ja noch nicht.” Venter, Optimist wie eh und je, will das so rasch wie möglich ändern. Er arbeitet bereits am letzten Schritt. 2007 glückte es seinem Team, das Genom von Mycoplasma mycoides vollständig in den verwandten Einzeller Mycoplasma capricolum zu überführen. Zwar funktionierte diese Transplantation der besonderen Art nur in einer von 150 000 Zellen. Doch deren Nachkommen produzierten Proteine, die für Mycoplasma mycoides charakteristisch sind. Auf ähnliche Weise beabsichtigen die Wissenschaftler, das künstliche Chromosom in ein anderes Bakterium zu verpflanzen – in der Hoffnung, dass es dort das Kommando übernimmt. In einem weiteren Schritt plant Venter dann die Synthese der DNA von Mycoplasma laboratorium und die entsprechende Überführung des Genoms. Dieser Minimalorganismus böte die Plattform für Manipulationen jeglicher Art. Wissenschaftler könnten die Zelle so programmieren, dass sie aus Bioabfall reinen Wasserstoff herstellt oder aus dem Treibhausgas CO2 andere umweltfreundliche Energieträger, wie der Amerikaner jüngst in München erklärte. Die synthetische Biosprit-Mikrobe ist für den umstrittenen Entrepreneur der erste „ Multi-Milliarden-Dollar-Organismus”. EINE ZELLE WIRD NEU ERSCHAFFEN Ralf Wagner, im Wissen um die Komplexität der Biologie, sieht bis dahin „noch einige Jahre ins Land ziehen”. Für den Biophysiker David Deamer von der University of California in Santa Cruz erfüllt Venters Ansatz nicht einmal die Kriterien künstlichen Lebens. Er sieht darin vielmehr den Versuch, einen bestehenden Organismus radikal zu manipulieren. Zwar wäre das Genom vom Menschen gemacht, doch die Hülle der Zelle und ihre Matrix, das Cytoplasma, eben nicht. Ein weiterer Kritikpunkt: „ Sogar in Mycoplasma ist die Funktion von 20 Prozent der Gene unbekannt”, moniert Tony Forster von der Vanderbilt-Universität in Nashville (USA), „deshalb weiß man nicht, was da wirklich passiert”. Forster gehört zu einer elitären Schar von Wissenschaftlern, die den Begriff synthetische Biologie weitaus revolutionärer deuten. Ihre Idee: Statt nur künstliche Erbsubstanz in ein Bakterium zu verpflanzen, gleich alle zellulären Systeme neu zu erschaffen. Ein ehrgeiziger Plan. Doch als etwa Giovanni Murtas von der italienischen Universität Roma Tre jüngst unter einem Mikroskop kleine, etwas unförmige Fettklümpchen und ihren grünen Schimmer sah, wusste er, dass er einen entscheidenden Schritt zu einer synthetischen Minimalzelle gegangen war. Das grüne Leuchten bewies: Die winzigen Kugeln stellen selbst Proteine her – eine essenzielle Fähigkeit aller Zellen und entscheidend für alle anderen Aspekte des Lebens. Obwohl nur ein Schritt unter vielen, wird die Entdeckung die Fantasie weiter beflügeln. „Nur mit diesem Bottom-up-Ansatz lassen sich aus nichtlebenden Materialien neue lebende Systeme erzeugen”, sagt Murtas’ Chef Pier Luigi Luisi. WENN SICH DAS ENZYM-GEBILDE TEILT Was die Italiener bislang vorweisen, sind kleine, von einer Membran umhüllte Liposomen. In ihnen befindet sich ein System aus 36 Enzymen, dazu molekulare Eiweißfabriken (Ribosomen). „Diese 36 Enzyme können Proteine herstellen”, sagt Luisi. Sie tun es gemäß dem Code von Genen. Der Italiener räumt ein, dass vor den Wissenschaftlern noch ein langer Weg bis zu einer funktionstüchtigen Zelle liegt. Der nächste Schritt wäre ein Quantensprung: Das Enzym-Gebilde chemisch so aufzublähen, dass es sich irgendwann teilt. Dann wäre aber immer noch eine komplette Erbsubstanz nötig, die sich ebenfalls bei jeder Zellteilung verdoppeln muss. Denkbar wären beispielsweise die Venter’schen Kunstchromosomen mit der Geneart-DNA – oder eine komplett artifizielle Erbsubstanz, die der Biochemiker Piet Herdewijn von der katholischen Universität Leuven derzeit kreiert und die nichts mit herkömmlicher DNA oder RNA zu tun hat. Solche Systeme könnten nicht mit natürlichen Genen wechselwirken – eine besondere Form der Umweltverträglichkeit. Bei der künstlichen Erbsubstanz handelt es sich um „Hexitol-Nukleinsäuren” (HNA) – Moleküle, die offenbar chemisch stabil sind und sich wie die DNA auf nachfolgende Generationen vererben lassen. „Die Chemie für die artifizielle Erbsubstanz steht”, ist der Belgier überzeugt. „Wir können das in wenigen Jahren hinkriegen – sofern wir genug Geld bekommen.” ■ KLAUS WILHELM (links) schwankte bei der Recherche zwischen Faszination und Angst. VoLker Steger durfte bei „Geneart” fotografieren. von Klaus Wilhelm (Text) und Volker Steger (Fotos) Ohne Titel Wissen hören: Ein Experten-Gespräch zum Thema „Künstliches Leben aus dem Labor ” finden Sie unter „Podcasts” auf www.wissenschaft.de CRAIG VENTER Er gilt als ein Mann, der das Unmögliche möglich macht. In den 1990er-Jahren verkündete Craig Venter großspurig, mit seiner Firma „Celera” das menschliche Genom entschlüsseln zu wollen – um im Jahr 2000 Vollzug zu melden. Es war ein Hightech-Parforceritt, der in der Automatisierung biochemischer Reaktionen Maßstäbe setzte. Die wissenschaftliche und unternehmerische Reputation des amerikanischen Biochemikers steht außer Frage. Doch seine ethischen Prinzipien sind in die Kritik geraten: Venter ließ von Anfang an Gen-Sequenzen patentieren, was einer Privatisierung von Erbgut gleichkommt. In einem späteren Projekt fahndete er nach unbekannten Mikroorganismen in der Tiefsee. Jetzt bastelt der Paul-Ehrlich-Preisträger an der Umsetzung einer neuen Utopie: der Schaffung künstlichen Lebens, um die Menschheit von ihren Energieproblemen zu befreien und um – nebenbei – Milliarden Dollar zu verdienen. KOMPAKT · Die Erschaffung künstlichen Lebens steht auf der Agenda mehrerer Forschergruppen weltweit. · Angestrebt werden neue Medikamente, aber auch Roh- und Treibstoffe aus biologischer Produktion. · Mit neuen Lebewesen aus dem Labor kommen neue Sicherheitsrisiken und ethische Herausforderungen auf uns zu. Das heikle Thema SICHERHEIT Wenn es um Bio-Waffen geht, wird es Ralf Wagner ganz mulmig. „ Nicht auszumalen, wenn Gene für gefährliche Substanzen in falsche Hände gerieten”, sagt der Vorstandsvorsitzende der Regensburger Firma Geneart, die – den Wünschen ihrer Kunden entsprechend – künstliche Gene synthetisiert. Bei jeder Anfrage werde automatisch überprüft, aus welchem Land die Order stammt. Das Ergebnis wird mit einer von Geneart erweiterten Liste des Bundesamts für Ausfuhrkontrolle und Wirtschaftsförderung (BAFA) abgeglichen: Sie verzeichnet Länder, die keinesfalls beliefert werden sollen. Zweitens gibt die „Hadex-Liste” der BAFA vor, welche Adressen im weitesten Sinne mit terroristischen Organisationen zusammenhängen könnten. Drittens gleicht das Regensburger Unternehmen, wie Wagner versichert, „alle georderten Gen-Sequenzen mit einer ständig aktualisierten internationalen Datei ab, die alle potenziell gefährlichen Gen- Sequenzen enthält” . Derlei Gene dürfen dann ausschließlich in EU-Länder verschickt werden, wobei die BAFA nochmals prüft, wer der Kunde ist. Allerdings gelten derart strenge Regeln nicht überall, weshalb der „Industrieverband Synthetische Biologie” mit Sitz in Heidelberg „internationale Datenbanken und Screening-Software für die Prüfung von Bestellungen” spätestens 2009 weltweit harmonisieren will, wie dessen Sprecher, der Unternehmer Peer Stähler, ankündigt. „Das eilt”, sagt er, „denn wenn nur eine Gen-Synthese-Firma lax mit dem Thema Sicherheit umgeht, ist die ganze Branche beschädigt.” DREI AUSGEWÄHLTE PROJEKTE · LS9, eine Firma aus dem kalifornischen San Carlos, hat Escherichia- coli-Bakterien mit synthetischer DNA reprogrammiert, um einen Treibstoff aus Mais-Sirup und Zuckerrohr herzustellen. Die Produktion ist so effizient, dass der Sprit in den USA für 1,25 Dollar pro Gallone verkauft werden könnte. Allerdings mangelt es bislang noch an einer großtechnischen Umsetzung des Konzeptes. · Jay Keasling von der University of California in Berkeley baut die Gene für einen ganzen Stoffwechselweg in Bakterien ein. Die Einzeller sollen so das Malaria-Medikament Artemisin preiswert produzieren. Bislang wird der Stoff aus einer Pflanze gewonnen, die aus China stammt, mittlerweile aber auch in Ostafrika angebaut wird. · Der Chemie-Riese DuPont hat Gene synthetisieren lassen und in Bakterien eingebaut, die aus Mais-Stärke Hightech-Fasern für Textilien billig herstellen. MEHR ZUM THEMA LESEN Ed Regis WHAT IS LIFE? Investigating the Nature of Life in the Age of Synthetic Biology Farar, Straus and Giroux New York 2008, ca. 19 Euro WIE STEHT ES UM DIE ETHIK? „Wir wollen eine breite Diskussion anschieben – jetzt, sofort, bevor das Kind in den Brunnen gefallen ist”, sagt Markus Schmidt, Leiter des SynBiosafe-Projekts, das sich mit den gesellschaftlichen Folgen der synthetischen Biologie beschäftigt. Seit Anfang des Jahrtausends schon werkeln Wissenschaftler an der synthetisch-biologischen Zukunft. Doch anders als etwa beim Thema Stammzellen ist die Tragweite der synthetischen Biologie Politikern und Gesellschaft noch nicht bewusst. Dabei „werden die Folgen massiv sein”, fürchtet Jim Thomas von der kanadischen Action Group on Erosion, Technology and Concentration (ETC): „ Denn das Potenzial der Technik ist riesig.” Fast alle traditionellen Produktionstechniken könnte die synthetische Biologie revolutionieren. Profitieren würden vor allem große Konzerne. Kleinen Bauern und Produzenten in den Entwicklungsländern drohe dagegen der Ruin, sollte beispielsweise das Malaria-Medikament Artemisin oder Gummi (beides Pflanzenstoffe) künftig von künstlichen Designer-Mikroben hergestellt werden. Die bestehenden nationalen und internationalen Regelungen gelten für bisheriges Leben – und nicht für künstliche Organismen. Niemand weiß, wie sich künstliche Organismen verhalten werden. Markus Schmidt fordert: „Wir werden Leben und die möglichen Risiken neu definieren müssen.” Craig Venter versichert zwar, seine zukünftigen SynBio-Mikroben seien in einer natürlichen Umwelt nicht überlebensfähig, weil sie von einem Stoff abhängig sind, den sie nur im Labor bekommen. Doch den Kritikern genügt das nicht. Für den Umwelt-Ethiker Andrew Light von der University of Washington in Seattle ist die synthetische Biologie ein zweischneidiges Schwert: Einerseits berge sie hohe Risiken, weil künstliche Organismen, sollten sie freigesetzt werden, unberechenbar seien und die Umwelt stören könnten. Andererseits befreie die synthetische Biologie die Menschheit vielleicht von umweltschädlichen Techniken des 20. Jahrhunderts.