Gastkommentar

Biologische Lebewesen ohne Eltern ante portas

Bioingenieure werden schon bald künstliche Organismen entwickeln, die neue Anwendungen in Medizin und Industrie ermöglichen. Beat Christen, Professor am Departement Biologie der ETH Zürich, diskutiert deren Nutzen und Risiken im Zukunftsblog der Universität.

Beat Christen

Jedes Lebewesen auf der Erde hat Eltern, Grosseltern und Urgrosseltern und steht in einer ununterbrochenen Abstammungslinie zu den allerersten Organismen, die vor Milliarden von Jahren hier gelebt haben. Bald werden wir jedoch Lebewesen kennen, die keine solche direkte Abstammung haben. Die ersten dieser Lebewesen werden Bakterien sein. Bioingenieure werden solche Bakterien am Computer entwickeln, speziell zugeschnitten auf Anwendungen in der Medizin, Industrie oder Landwirtschaft. Mithilfe von DNA-​Synthesegeräten werden sie deren Genom von Grund auf neu herstellen und damit künstliche Organismen entwickeln.

Ich meine damit nicht Organismen, bei denen nur einzelne Gene verändert werden, wie das in der Biotechnologie und der Nutzpflanzenzucht seit Jahrzehnten gemacht wird und heute mit der Genschere Crispr sehr einfach möglich ist. Vielmehr meine ich Organismen, deren Genom Bioingenieure tatsächlich von Grund auf neu entwickeln und im Labor synthetisieren werden.

Solche künstlichen Lebewesen ohne Mutter oder Vater mögen nach Science Fiction klingen, werden aber schon bald Realität sein, davon bin ich überzeugt. Denn die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen, solche Organismen herzustellen, sind heute gegeben.

Technologischer Fortschritt

Erstens können wir auf die Errungenschaften mehrerer Jahrzehnte molekularbiologischer und systembiologischer Forschung zurückgreifen. Wir verstehen die Baupläne des Lebens heute sehr genau. In digitalen Datenbanken sind über 200'000 Genomsequenzen einer Vielzahl an Lebewesen gespeichert mit einer entsprechenden Fülle an Bauanleitungen. Indem Bioingenieure bekannte genetische Funktionen geschickt miteinander kombinieren oder abwandeln, ist es ihnen möglich, Mikroorganismen mit neuen nützlichen Eigenschaften zu entwickeln.

Zweitens: Ganze Genome von Mikroorganismen von Grund auf zu synthetisieren, war noch vor wenigen Jahren äusserst aufwendig und kam einem immensen – auch finanziellen – Kraftakt gleich. Dank Computeralgorithmen ist es heute jedoch möglich, Genome soweit zu vereinfachen, dass sie sich einfacher herstellen lassen. Und auch die DNA-​Synthesemethoden sind dank technologischer Neuentwicklungen sehr viel leistungsfähiger geworden. Mittlerweile ist es möglich, DNA-​Moleküle schnell und präzise direkt auf Silizium-​Chips herzustellen.

Diese Fortschritte werden es bald erlauben, Genome auf dem Reissbrett zu entwerfen, in Zellhüllen einzuschleusen und damit Mikroorganismen für neue nützliche Anwendungen zu entwickeln.

Breite Anwendungsfelder

Chancen bieten solche Organismen zuhauf – allen voran im Bereich der Medizin und der biotechnologischen Herstellung von Wirkstoffen. Hier einige Bespiele. Erstens: die schnelle Herstellung von Impfstoffen. Nicht nur bei der saisonalen Grippe, sondern vor allem auch bei Ausbrüchen von neuen Krankheiten, wie wir derzeit mit der Coronavirus-​Epidemie einen erleben, ist die Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen ein Rennen gegen die Zeit.

Künstliche Bakterien könnten als neuartige Impfstoffe genutzt werden: Es ist denkbar, für den menschlichen Körper völlig harmlose Bakterien herzustellen, die auf ihrer Oberfläche Bruchstücke von Krankheitserregern tragen. Solche Organismen können das Immunsystem lehren, die Krankheitserreger effizient zu erkennen und gegen sie vorzugehen. Dieser Ansatz ist deutlich günstiger und schneller als die herkömmliche aufwendige Herstellung von Protein-​Impfstoffen.

Zweitens können künstliche Bakterien als Produktionsorganismen dienen. Sie würden die biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen vereinfachen, und es könnten damit komplexere Moleküle als bisher produziert werden. Ausserdem können damit traditionelle chemische Produktionsprozesse, die oft erdölbasiert sind, auf nachhaltige biotechnologische Herstellungsprozesse umgestellt werden.

Drittens machbar sind zellbasierte Diagnostik-​ und Therapieverfahren. Ein Beispiel hierfür sind Bakterienzellen, die im menschlichen Körper Krebszellen aufspüren und diese durch die Produktion von Wirkstoffen direkt bekämpfen. Ein anderes Beispiel sind künstliche Bakterien, die im Körper von Patienten mit Stoffwechselerkrankungen wichtige Metaboliten herstellen.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist schliesslich die Landwirtschaft. Ernährungssicherheit, Nachhaltigkeit und Anpassung an den Klimawandel sind grosse globale Herausforderungen. Die Entwicklung von künstlichen Bodenmikroben, die Sämlinge schützen oder Dünger für Nutzpflanzen direkt aus dem Stickstoff in der Luft produzieren, ist ein vielversprechender Ansatz, um diese Herausforderungen zu meistern.

Diskussion und Regulation nötig

Neben grossen Chancen birgt die neue Technologie allerdings auch das Risiko eines Missbrauchs. Als Wissenschaftler müssen wir uns der ganzen Tragweite dieser Technologie bewusst sein und diese vorausschauend und verantwortungsvoll verwenden. Auch ist es nötig, dass wir eine umfassende Diskussion mit allen Interessensgruppen führen. Die bestehenden nationalen und internationalen Regelwerke über die Herstellung und den Handel von synthetischer DNA müssen erweitert werden. Letztlich sollte es unser Ziel sein, solche künstlichen Organismen zum Nutzen der ganzen Gesellschaft einzusetzen, gleichzeitig das Missbrauchsrisiko aber zu minimieren.

Wir Wissenschaftler, aber auch Entscheidungsträger und Politik sind gefordert, dass die neue Technologie so verwendet wird und verwendet werden darf, dass sie der Gesellschaft grösstmöglichen Nutzen bringt.

 

Beat Christen
Beat Christen ist Professor für experimentelle Systembiologie an der ETH Zürich. Seine Forschungsgruppe erstellte das erste vollständig künstliche Genom eines Bakteriums.
ETH Zürich