Synthetische Biologie ist ein neues interdisziplinäres Gebiet, das die Anwendung von technischen Prinzipien auf die Biologie beinhaltet. Sie zielt auf das (Re-)Design und die Herstellung von biologischen Komponenten und Systemen ab, die nicht bereits in der natürlichen Welt existieren.
Die Synthetische Biologie kombiniert die chemische Synthese von DNA mit dem wachsenden Wissen der Genomik, um es Forschern zu ermöglichen, katalogisierte DNA-Sequenzen schnell herzustellen und sie zu neuen Genomen zusammenzusetzen.
Verbesserungen in der Geschwindigkeit und den Kosten der DNA-Synthese ermöglichen es Wissenschaftlern, modifizierte bakterielle Chromosomen zu entwerfen und zu synthetisieren.
Die können in der Produktion von fortschrittlichen Biokraftstoffen, Bioprodukten, erneuerbaren Chemikalien, biobasierten Spezialchemikalien (pharmazeutische Zwischenprodukte, Feinchemikalien, Lebensmittelzutaten) und auch im Gesundheitssektor eingesetzt werden.
Genome Editing (auch Gene Editing genannt) ist eine Gruppe von Technologien, die Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, die DNA eines Organismus zu verändern. Diese Technologien ermöglichen es, genetisches Material hinzuzufügen, zu entfernen oder an bestimmten Stellen im Genom zu verändern.
Es wurden mehrere Ansätze zur Genom Bearbeitung entwickelt. Ein neuerer ist bekannt als CRISPR (eine Abkürzung für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) und das CRISPR-associated protein 9. Das CRISPR System hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft für viel Aufregung gesorgt, da es schneller, billiger, genauer und effizienter ist als andere existierende Genome Editing Methoden.
Was ist der Unterschied zwischen Synthetischer Biologie und Systembiologie?
Die Systembiologie erforscht komplexe natürliche biologische Systeme als integrierte Ganzheiten, indem sie Werkzeuge der Modellierung, Simulation und des Vergleichs mit Experimenten einsetzt. Die Synthetische Biologie untersucht, wie künstliche biologische Systeme gebaut werden können, wobei viele der gleichen Werkzeuge und experimentellen Techniken verwendet werden.
Der Fokus liegt oft darauf, Teile von natürlichen biologischen Systemen zu nehmen, sie zu charakterisieren, zu vereinfachen und sie als Komponenten eines künstlichen biologischen Systems zu verwenden.
In der Gentechnik werden normalerweise einzelne Gene von einer Mikrobe oder Zelle auf eine andere übertragen. Die synthetische Biologie sieht vor, neuartige mikrobielle Genom aus einer Reihe von standardisierten genetischen Teilen zusammenzusetzen, die dann in eine Mikrobe oder Zelle eingesetzt werden.
CRISPR als Genom Werkzeug
Die Genome verschiedener Organismen kodieren eine Reihe von Botschaften und Anweisungen innerhalb ihrer DNA-Sequenzen. Bei der Genom Bearbeitung werden diese Sequenzen verändert, wodurch die Botschaften ebenfalls verändert werden können.
Dies kann geschehen, indem man einen Schnitt oder einen Bruch in die DNA einfügt und die natürlichen DNA-Reparaturmechanismen der Zelle dazu bringt, die gewünschten Änderungen vorzunehmen. CRISPR bietet eine Möglichkeit, dies zu tun.
Studien, die von unterschiedlichen wissenschaftlichen Gruppen durchgeführt wurden, kamen zu dem Schluss, dass CRISPR dazu gebracht werden kann, jede beliebige Region der DNA zu schneiden. Dies könnte durch eine einfache Änderung der Nukleotidsequenz der crRNA geschehen, die an ein komplementäres DNA-Ziel bindet.
In einem weiteren Prozess vereinfachte man das System weiter, indem die Wissenschaftler crRNA und tracrRNA zu einer einzigen „guide RNA“ verschmolzen. Somit werden für das Genome Editing nur zwei Komponenten benötigt, eine guide RNA und das CRISPR-Protein.
Sobald die DNA geschnitten ist, treten die natürlichen Reparaturmechanismen der Zelle in Kraft und arbeiten daran, Mutationen oder andere Veränderungen in das Genom einzuführen. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dies geschehen kann.
Laut einem Projekt an der Stanford University beinhaltet eine Reparaturmethode das Zusammenkleben der beiden Schnitte. Diese Methode, bekannt als „non-homologous end joining“, neigt dazu, Fehler einzuführen. Nukleotide werden versehentlich eingefügt oder gelöscht, was zu Mutationen führt, die ein Gen stören können.
Bei der zweiten Methode wird die Unterbrechung durch das Auffüllen der Lücke mit einer Sequenz von Nukleotiden fixiert. Dazu verwendet die Zelle einen kurzen DNA-Strang als Vorlage. Wissenschaftler können die DNA-Schablone ihrer Wahl liefern und damit jedes beliebige Gen einschreiben oder eine Mutation korrigieren.
Was ist Genom Editierung?
Die Genom Editierung ist von großem Interesse für die Prävention und Behandlung von menschlichen Krankheiten. Derzeit wird die meiste Forschung zur Genom Editierung betrieben, um Krankheiten anhand von Zellen und Tiermodellen zu verstehen. Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, herauszufinden, ob dieser Ansatz sicher und effektiv für die Anwendung beim Menschen ist.
Es wird in der Forschung an einer Vielzahl von Krankheiten erforscht wie Mukoviszidose, Hämophilie und Sichelzellkrankheit. Es ist auch vielversprechend für die Behandlung und Vorbeugung von komplexeren Krankheiten wie Krebs, Herzkrankheiten, Geisteskrankheiten und Infektionen mit dem Humanen Immundefizienz-Virus (HIV).
Ethische Bedenken entstehen, wenn Genom Editierung mit Technologien wie CRISPR eingesetzt wird, um menschliche Genome zu verändern. Die meisten Veränderungen, die mit Genom Bearbeitung eingeführt werden, beschränken sich auf somatische Zellen, also andere Zellen als Ei- und Samenzellen.
Diese Veränderungen betreffen nur bestimmte Gewebe und werden nicht von einer Generation zur nächsten weitergegeben. Allerdings können Veränderungen an Genen in Ei- oder Samenzellen (Keimbahnzellen) oder in den Genen eines Embryos an zukünftige Generationen weitergegeben werden.
Keimbahnzellen- und Embryo-Genom-Bearbeitung bringen eine Reihe von ethischen Herausforderungen mit sich, darunter die Frage, ob es zulässig wäre, diese Technologie zur Verbesserung normaler menschlicher Eigenschaften (wie Größe oder Intelligenz) einzusetzen. Aufgrund ethischer und sicherheitstechnischer Bedenken sind Keimbahn- und Embryo-Genom-Bearbeitung derzeit in vielen Ländern illegal.
Durchbrüche in der synthetischen Biotechnologie
In den 1970er und 1980er Jahren entstand die Gentechnik für Umweltzwecke, wie zum Beispiel die Bioremediation. Ein Bakterium, das in der Lage ist, Erdölbestandteile zu verdauen, wurde entwickelt. Tatsächlich war das erste Biotech-Patent für einen Mikroorganismus zur Reinigung von Ölverschmutzungen.
Im Jahr 2003 bauten Wissenschaftler am J. Craig Venter Institute (JCVI) unter der Leitung von Dr. Smith, Hutchinson und Venter in vitro ein vollsynthetisches PhiX174-Chromosom in nur 14 Tagen und veröffentlichten ihre Ergebnisse in den Proceedings of the National Academy of Sciences.
Im Dezember 2004 gaben George M. Church von der Harvard Medical School und Xiaolian Gio von der University of Houston bekannt, dass sie eine neue „Multiplex“-DNA-Synthesetechnik erfunden haben, die die Kosten der DNA-Synthese senken wird.
Anfang 2006 entdeckten Dr. Jay Keasling, Direktor des Berkeley Center for Synthetic Biology, und drei Postdocs eine Hefe, die Bakterien- und Wermutgene enthält, und bauten sie zu einer chemischen Fabrik um, um einen Vorläufer von Artemisinin zu produzieren, der als preiswertes Anti-Malaria-Medikament eingesetzt werden kann.
Im Juni 2007 entwickelte das JCVI Methoden zur Genomtransplantation, um einen Bakterientyp in einen anderen Typ zu verwandeln, der durch das transplantierte Chromosom diktiert wird, und veröffentlichte ihre Ergebnisse.
Im Januar 2008 schuf das JCVI das erste synthetische bakterielle Genom, Mycoplasma genitalium JCVI-1.0, das die größte von Menschenhand geschaffene DNA-Struktur darstellt. Genomtransplantation, Synthese und Zusammenbau sind wesentliche Schritte auf dem Weg zum ultimativen Ziel einer vollständig synthetischen, aktivierten Zelle.
Im Jahr 2010 gaben Wissenschaftler des J. Craig Venter Institute (JCVI) die weltweit erste synthetische Lebensform benannt; der Einzeller basiert auf einem existierenden Bakterium, das Mastitis bei Ziegen verursacht.
Es hatte im Kern ein komplett synthetisches Genom, das aus drei Chemikalien im Labor konstruiert wurde. Der einzellige Organismus hatte vier „Wasserzeichen“, die in seine DNA geschrieben wurden, um ihn als synthetisch zu identifizieren.
Das Venter Institut benötigte 15 Jahre, um dieses erste Projekt abzuschließen. Es muss noch einiges mehr an Arbeit geleistet werden, bevor Wissenschaftler die Techniken zur Synthese von neuartigen Genomen für Mikroben oder Zellen perfektionieren können.
Ist Genome Editierung der Gentechnik zuzuordnen?
Wo liegen vertretbare Grenzen für die Anwendung bei Mensch, Tier und Pflanze? Und wie lässt sich insbesondere die Anwendung mit unseren bestehenden Gesetzen regulieren? Chancen und Risiken der Genom-Editierung müssen sorgfältig abgewogen werden und dürfen nicht dem Zufall überlassen werden.
Daher hat der EuGH (Europäische Gerichtshof) am 25. Juli 2018 entschieden, dass die neuen Genome Editing-Verfahren als Gentechnik anzusehen sind und den gleichen Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften unterliegen wie gentechnisch veränderte Organismen (GVO).