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Über dieses Buch

Eine wirtschaftliche und einfache Herstellung komplexer Moleküle für maßgeschneiderte Werkstoffe, Arzneimittel oder auch Treibstoffe, dazu neue Methoden für Forschungszweige wie Biomedizin, Materialwissenschaft oder Katalyseforschung: Die Liste potenzieller Anwendungen der Synthetischen Biologie, einer Forschungsrichtung zwischen Molekularbiologie, Organischer Chemie, Nanobiotechnologie und Informationstechnik, ist lang. Ausgehend von der bereits großen Bedeutung der Biotechnologie in der chemischen Industrie könnte es in den nächsten Jahren zu einer regelrechten Biologisierung der Wirtschaft kommen. Die neue Technikwissenschaft an der Grenze von Biologie und Technik übt eine große Faszination aus, die dieser Band weitergeben möchte - freilich ohne die Herausforderungen auszublenden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung

Frontmatter

Einblicke in die Synthetische Biologie

Zusammenfassung
Eine der spektakulärsten Publikationen des Jahres 2010 war die Arbeit der Craig Venter-Gruppe, in der es um die Synthese eines bakteriellen Genoms im Reagenzglas und um den Nachweis geht, dass ein solches chemisch synthetisiertes Genom 1 in einer Bakterienzelle zum Leben erweckt werden kann.2 Der Craig Venter-Gruppe fiel dieses Ergebnis nicht in den Schoß. Sie musste eine Vielzahl von Technologien neu entwickeln und dabei unvorhergesehene Probleme lösen. Zunächst wurde ein geeignetes bakterielles Genom, nämlich das des Bakteriums Mycoplasma mycoides, ausgewählt. M. mycoides ist als der Erreger der Lungenseuche bei Rindern bekannt und besitzt ein circa eine Million Basenpaare großes Genom.3 Damit gehört dieses Genom zu den kleineren bakteriellen Genomen, ist aber immer noch fast doppelt so groß wie das Genom von Mycoplasma genitalium mit einer Länge von nicht ganz 0,6 Millionen Basenpaaren.4
Alfred Pühler

Eine Wissenschaft vom Künstlichen und Komplexen: Synthetische Biologie als Technikwissenschaft des 21. Jahrhunderts

Zusammenfassung
Die Bezeichnung „Die Wissenschaften vom Künstlichen“ geht auf einen Buchtitel des amerikanischen Nobelpreisträgers Herbert A. Simon zurück, der 1969 „The Sciences of the Artificial“ veröffentlichte. Geradezu prophetisch beschreibt er in seinem Buch die Zukunft der Forschung als Technikwissenschaft, die sich mit dem Künstlichen und Komplexen auseinandersetzen muss. Im Vorwort zur deutschen Ausgabe von 1990 problematisiert er die Vorstellung einer „natürlichen“ Welt:
„Mit der Zunahme unserer Fähigkeit, die uns umgebende Welt zu verändern, wird es gleichermaßen wichtig für uns, den Zusammenhang zwischen den natürlichen und den künstlichen Welten besser zu verstehen. Auch Weizenfelder hat es nicht zu Zeiten des ursprünglichen Naturzustands gegeben — sie sind Artefakte des Menschen. Und heute sieht es so aus, als ob auch das Klima der Erde zu einem unbeabsichtigten Ergebnis der Abhängigkeit des Menschen von fossilen Brennstoffen für die Herstellung und den Gebrauch seiner Produkte werden könnte. Es ist daher nicht genug damit getan, dass unsere Wissenschaft die Naturphänomene umfasst. Wir müssen auch ein wissenschaftliches Verständnis des Künstlichen entwickeln.“1
Klaus Mainzer

Techniken

Frontmatter

Code Engineering: Techniken und Anwendungen

Zusammenfassung
Proteine üben in der Natur eine außergewöhnliche Bandbreite von Funktionen aus. Beispielsweise katalysieren sie als Enzyme elementare biochemische Reaktionen und verleihen Gewebe und Zellen in Form von Stützproteinen Stabilität und Widerstandskraft. In natürlichen Organismen bestehen all diese Proteine aus denselben 20 Grundbausteinen, den sogenannten kanonischen Aminosäuren. Der Bauplan, der zum sequenziellen Aufbau der Proteine aus diesen kanonischen Aminosäuren benötigt wird, ist in Desoxyribonukleinsäure (DNA) geschrieben. Die Interpretation des Bauplans gelingt dadurch, dass je eine Aminosäure einem sogenannten Triplett-Codon aus je drei DNA-Basen zugeordnet ist. Dies wird als genetischer Code bezeichnet (siehe Abbildung 1).
Nediljko Budisa, Michael Hösl

Synthetische Biologie mit Künstlichen Nukleinsäurestrukturen

Zusammenfassung
Die Synthetische Biologie hat sich in kürzester Zeit zu einer facettenreichen neuen Forschungsrichtung zwischen den klassischen Disziplinen entwickelt. Allgemein gesprochen zielt sie auf die Verbindung ingenieurwissenschaftlicher Ansätze und biologischer Prinzipien ab — der Schaffung synthetischer biologischer Systeme oder auch der Implementierung synthetischer Funktionen mithilfe lebender Organismen. Als Ziele werden unter anderem das weitreichende „Umprogrammieren“ biologischer Zellen genannt, aber auch das Schaffen künstlicher Zellen oder zellähnlicher Systeme und Bioreaktoren. Auch wenn sich manche der Ansätze nur geringfügig von denen der rekombinanten DNA-Technologie (der Gentechnik) oder dem molekularen Bioengineering unterscheiden, gehen doch die meisten deutlich darüber hinaus, insbesondere was das geplante Ausmaß der synthetischen Modifikationen betrifft. Statt Zellen wie in der klassischen Gentechnik nur einzelne künstliche Proteine herstellen zu lassen, sollen nun eine Vielzahl miteinander wechselwirkender Komponenten („genetische Programme“) implementiert und damit unter anderem das Verhalten von Organismen umprogrammiert werden.
Friedrich Simmel

Synthetische Genetische Schaltkreise: von Grün Blinkenden Zellen zur Entdeckung Neuer Medikamente

Zusammenfassung
Die Methoden der Synthetischen Biologie werden in diesem Beitrag anhand des Designs und der Konstruktion von synthetischen genetischen Netzwerken veranschaulicht. Aus dieser technologiegetriebenen Disziplin entwickeln sich bereits erste technische Anwendungen.
Wilfried Weber

Synthetische Biologie zum Design Massgeschneiderter Stoffwechselwege

Zusammenfassung
Für die biotechnologische Produktion von Wertstoffen durch Mikroorganismen ist der schnelle und effiziente Umsatz von Rohstoffen in die Zielprodukte unabdingbar. Die Synthetische Biologie bietet nun ideale Möglichkeiten, die dafür notwendigen Stoffwechselwege passgenau zu entwerfen. Einerseits können Stoffwechselwege verschiedener Organismen so kombiniert werden, dass neue Produkte gebildet werden, oder dass bestehende Produkte aus bisher nicht zugänglichen Rohstoffen gebildet werden. Andererseits können synthetische Stoffwechselwege aus enzymatischen Reaktionsschritten oder Sequenzen aus verschiedenen Organismen so aufgebaut werden, wie sie in keinem der Ursprungsorganismen natürlicherweise vorkommen. Mit der Synthetischen Biologie können also neue Wege in der Weißen Biotechnologie gegangen werden. Ein weithin bekannter Durchbruch sind die Arbeiten der Gruppe um Jay Keasling aus Berkeley in Kalifornien zur Produktion des Terpenoids Artemisinin, wie auch im Beitrag von Peter Koller in diesem Band beschrieben.1
Volker F. Wendisch

Wirtschaftliches Potenzial

Frontmatter

Synthetische Biologie — Ein Innovationsmotor für die Industrielle Biotechnologie?

Zusammenfassung
Jedes Jahr werden weltweit mit Produkten der Industriellen Biotechnologie (die auch als „weiße“ Biotechnologie bezeichnet wird) ungefähr 70 Milliarden Euro umgesetzt. Das entspricht etwa zwei bis drei Prozent des globalen Chemiemarktes. Typische Produkte der industriellen Biotechnologie sind Biokraftstoffe, Enzyme und spezielle Chemikalien wie Antibiotika, Vitamine und Aminosäuren. Dabei handelt es sich in aller Regel um Substanzen, die natürlicherweise von Mikroorganismen produziert werden. Als Einsatzstoffe dienen in der Industriellen Biotechnologie fast ausschließlich nachwachsende Rohstoffe wie Zucker, Stärke — und Sojaprodukte oder Pflanzenöl.
Oskar Zelder

Herstellung von Pharmawirkstoffen durch Design von Stoffwechselwegen

Zusammenfassung
Wirkstoffe zu geringen Kosten mit einem zuverlässigen und schutzrechtlich gesicherten Verfahren herzustellen, ist das Ziel eines jeden pharmazeutischen Unternehmens. Die Synthetische Biologie eröffnet dabei nun Perspektiven, die bislang verschlossen waren. Es geht beim Einsatz der Synthetischen Biologie in diesem Umfeld nicht darum, einen neuen Organismus zu finden, der einen Wirkstoff besser als ein bereits verwendeter herstellt. Es geht vielmehr darum, das heutige Wissenspotenzial und die bestehenden Technologien einzusetzen zur gezielten Konstruktion und biotechnologischen Nutzung von Organismen, die neue Wirkstoffe herstellen, zu denen sie ohne die eingeführten genetischen Veränderungen nicht in der Lage gewesen wären. Dabei können Gene für komplexe Stoffwechselwege transferiert werden. Die eingeführten Veränderungen zielen darauf ab, die Produktion eines Wirkstoffs kostengünstig zu gestalten und das Produkt in den notwendigen Mengen verfügbar zu machen.
Klaus-Peter Koller

Synthetische Biologie und Biotreibstoffe

Zusammenfassung
Der Bedarf an neuen Energieträgern steigt: die Reserven fossiler Quellen schrumpfen und die Menschen sind gegenüber klimatischen Veränderungen, welche wiederum auf CO2-Emissionen durch die Verbrennung von Öl, Gas und Kohle zurückgeführt werden, zunehmend sensibilisiert. Alternative CO2-neutrale Energieträger sind auf dem Markt, und zwar die Nutzung von Windenergie, Wasserkraft oder Photovoltaik. Die kontinuierliche und erfolgreiche Weiterentwicklung dieser Produktionssysteme zielt jedoch vorrangig auf die Herstellung und Nutzung von Strom. Diese Energieform macht aber nur circa zwei Drittel des weltweiten Energiebedarfs aus und dient nicht als Basis neuer alternativer Treibstoffe mit genügend hoher Energiedichte für den Transport, insbesondere über weite Distanzen. Dazu bedarf es der Entwicklung neuer alternativer kohlenstoffbasierter Treibstoffe. Hierbei steht insbesondere die Produktion von Biotreibstoffen im Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung.
Olaf Kruse

ELSI

Frontmatter

Synthetische Biologie: Gesellschaftliche Verantwortung der Wissenschaft

Zusammenfassung
Die Debatte über die Verantwortung von Wissenschaftlern füllt spätestens seit der Erfindung der Atombombe philosophische Bücher, wissenschaftliche Konferenzprogramme und Leserbriefspalten in Zeitungen. Die Gentechnik führte ab den 1970er Jahren zu einer zweiten Welle der Verantwortungsdiskussion. Zunächst war durchaus umstritten, ob Wissenschaft überhaupt eine gesellschaftliche Verantwortung für ihre Folgen habe. Schließlich stelle sie doch bloß Erkenntnisse über die Natur bereit und könne nicht für die Folgen der Anwendungen dieser Erkenntnisse verantwortlich gemacht werden. Diese strikte Trennung zwischen erkenntnisorientierter Forschung und praxisbezogener Anwendung ließ sich jedoch nicht durchhalten. Schon gar nicht ginge dies für neuere wissenschaftliche Forschungsrichtungen wie die Nanotechnologie oder eben die Synthetische Biologie, in denen Erkenntnis und Anwendung kaum noch getrennt werden können.
Armin Grunwald

Biosicherheit und Synthetische Biologie

Zusammenfassung
Die Synthetische Biologie ist eine hochdynamische neue Disziplin, die sich in den Natur-und Ingenieurwissenschaften rasch entfaltet. Die Auswirkungen der Synthetischen Biologie beschränken sich nicht allein auf die Forschung und die Arbeitswelt in den Labors, denn sie könnte künftig in vielen gesellschaftlichen Bereichen relevant werden. Forscher aus der Synthetischen Biologie können unter anderem künstliche Moleküle nutzen, um emergente Phänomene aus der Natur nachzuahmen. Ihr Ziel ist es, künstliches Leben zu erschaffen oder biologischen Bausteine zu entwickeln, die sich so zusammensetzen lassen, dass komplexe Systeme entstehen - und zwar mit völlig neuartigen Funktionen, wie sie in der Natur nicht vorkommen.1
Markus Schmidt

Wird in der Synthetischen Biologie „Gott Gespielt“? Eine Theologisch-Ethische Dekonstruktion

Zusammenfassung
Neue biotechnologische Innovationen und Möglichkeiten finden, sobald sie am Horizont der fachwissenschaftlichen wie der öffentlichen Wahrnehmung erscheinen, ein geteiltes Echo. Auf die Betonung der Potenziale einer Technologie und als Gegenentwurf zu den visionär aufgeladenen Erwartungen antworten Kritiker mit dem Verweis auf Gefahren und Risiken und zeichnen bis in Schreckensszenarien hineinreichende Bilder möglicher Konsequenzen. In solchen Debatten tauchen regelmäßig auch religiös imprägnierte Begriffe und Wendungen wie Playing God/Gott spielen oder Creating Life/ Leben schaffen auf, um entweder den erreichten wissenschaftlichen Fortschritt in ein noch helleres Licht zu stellen oder um ihn mit größerer Schärfe zu desavouieren. Was bereits in so unterschiedlichen Feldern wie der Anästhesie zur Schmerzbekämpfung, der hormonellen Empfängnisverhütung, der Transplantationsmedizin und der Hirntoddiagnostik, der Stammzellforschung, der Gentechnologie und neuerdings der Präimplantationsdiagnostik zu beobachten war, trifft auf die Synthetische Biologie in besonderer Weise zu: Die Frequenz, in der religionskulturelle Vorstellungen und Formeln in den wissenschaftlichen und allgemein-öffentlichen Diskussionen auftauchen und zumeist auf eine vermeintliche oder tatsächliche Usurpation göttlicher Privilegien durch den Laborwissenschaftler hinauslaufen, ist hier deutlich höher und intensiver, als dies bei anderen Biotechnologien der Fall ist.
Peter Dabrock, Jens Ried

Dokumentation

Frontmatter

Synthetische Biologie bei acatech: Vorbereitende, Begleitende und Nachbereitende Kommunikation

Zusammenfassung
Der Begriff „Dialog“1 hat, obwohl bereits im vergangenen Jahrzehnt in der Wissenschaftskommunikation regelrecht in Mode gekommen2, in den vergangenen zwei Jahren nochmals enorm an Bedeutung gewonnen3. Nach Bürgerprotesten gegen Infrastrukturprojekte wie einen umstrittenen Bahnhofsumbau im Süden und nach der von der Bevölkerung erzwungenen Wende in der Schulpolitik im Norden der Republik genießen neue Formen der Bürgerbeteiligung breite Unterstützung und haben es als quasi institutionalisierter Dialog sogar ins Regierungsprogramm der Bundesregierung gebracht.4 Auch Wissenschaftsorganisationen sind gut beraten, wenn sie ihre Kommunikation stärker auf Interaktion ausrichten und wichtigen Themen über einen längeren Zeitraum hinweg begleiten, anstatt nur punktuell Informationsangebote zu machen.
Marc-Denis Weitze, Jann Gerrit Ohlendorf

Stellungnahme von DFG, acatech und Leopoldina (Zusammenfassung)

Zusammenfassung
Die Synthetische Biologie basiert auf den Erkenntnissen der molekularen Biologie, der Entschlüsselung kompletter Genome, der ganzheitlichen Betrachtung biologischer Systeme und dem technologischen Fortschritt bei der Synthese und Analyse von Nukleinsäuren. Sie führt ein weites Spektrum an naturwissenschaftlichen Disziplinen zusammen und verfolgt dabei ingenieurwissenschaftliche Prinzipien. Das spezifische Merkmal der Synthetischen Biologie ist, dass sie biologische Systeme wesentlich verändert und gegebenenfalls mit chemisch synthetisierten Komponenten zu neuen Einheiten kombiniert. Dabei können Eigenschaften entstehen, wie sie in natürlich vorkommenden Organismen bisher nicht bekannt sind. Die Synthetische Biologie steht für ein Forschungs- und Anwendungsgebiet, das sich nicht strikt von den herkömmlichen gentechnischen und biotechnologischen Verfahren unterscheidet und deshalb als eine Weiterentwicklung dieser Disziplinen und der damit verfolgten Ziele verstanden werden kann. Die vorliegende Stellungnahme behandelt im ersten Teil ausgewählte grundlagenorientierte Gebiete der Synthetischen Biologie:
  • Die technologischen Fortschritte bei der Synthese und Analyse von Nukleinsäuren. Durch sie werden nicht nur die Verfahren der rekombinanten Gentechnik erleichtert, sondern auch erhebliche Fortschritte bei der Gentherapie eröffnet.
  • Die Konstruktion von Minimalzellen mit synthetisch hergestellten oder genetisch verkleinerten Genomen mit dem Ziel, eine kleinste lebensfähige Einheit zu gewinnen. Derartige Zellen sind unter definierten Laborbedingungen lebensfähig, haben jedoch eingeschränkte Fähigkeiten, sich an natürlichen Standorten zu vermehren.
  • Die Synthese von Protozellen mit Merkmalen lebender Zellen. Es ist beabsichtigt, sie langfristig - ebenso wie die Minimalzellen - als „Chassis“ für die Herstellung von Substanzen einzusetzen.
  • Die Produktion neuer Biomoleküle durch baukastenartiges Zusammenfügen einzelner Stoffwechselfunktionen. Diese können aus verschiedensten genetischen Spenderorganismen stammen.
  • Die Konstruktion regulatorischer Schaltkreise, die auf externe Reize reagieren. Diese erlauben es, komplexe biologische oder synthetische Prozesse zu steuern.
  • Die Konzeption sogenannter „orthogonaler Systeme“.
Alfred Pühler, Bernd Müller-Röber, Marc-Denis Weitze

acatech Veranstaltungen zur „Synthetischen Biologie“ 2009/2010

Ohne Zusammenfassung
Alfred Pühler, Bernd Müller-Röber, Marc-Denis Weitze

Backmatter

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