Die synthetische Biologie ist ein Fachgebiet im Grenzbereich von Molekularbiologie, organischer Chemie, Ingenieurwissenschaften, Nanobiotechnologie und Informationstechnik. Sie wird von einigen ihrer Vertreter als die neueste Entwicklung der modernen Biologie beschrieben.Synthetic Biology: Applying Engineering to Biology Report of a NEST High-Level Expert Group. Published by the European Commission 2005.L. Serrano: Synthetic biology: promises and challenges. In: Molecular Systems Biology. 3, 2007, S. 158 (synbiosafe.eu PDF; 113 kB).
Im Fachgebiet synthetische Biologie arbeiten Biologen, Chemiker und Ingenieure zusammen, um biologische Systeme zu erzeugen, die in der Natur nicht vorkommen. Der Biologe wird so zum Designer von einzelnen Molekülen, Zellen und Organismen, mit dem Ziel, biologische Systeme mit neuen Eigenschaften zu erschaffen. Technology Review. [deutsche Ausgabe] Juli 2006. Dabei werden verschiedene Strategien verfolgt: Künstliche, biochemische Systeme werden in Lebewesen integriert, die dadurch neue Eigenschaften erhalten. Entsprechend den biologischen Vorbildern werden schrittweise chemische Systeme so aufgebaut, dass sie bestimmte Eigenschaften von Lebewesen aufweisen (biomimetische Chemie). Organismen werden auf ihre allernotwendigsten Systemkomponenten reduziert (Minimalgenom), die als eine Art „Gerüst“ dienen, um durch den Einbau von sogenannten bioparts biologische Schaltkreise zu erzeugen.
Im Unterschied zur Gentechnik werden nicht nur z. B. einzelne Gene von Organismus A zu Organismus B transferiert, sondern das Ziel der synthetischen Biologie ist es, komplette künstliche biologische Systeme zu erzeugen. Diese Systeme sind der Evolution unterworfen, sollen aber bis zu einem gewissen Grad „mutationsrobust“ gemacht werden.Nozomu Yachie et al.: Alignment-Based Approach for Durable Data Storage into Living Organisms. In: Biotechnology Progress. Band 23, Nr. 2, 2007, S. 501–505, doi:10.1021/bp060261y, yachie-lab.org (PDF, Volltext).
Geschichte der synthetischen Biologie Bereits 1912 veröffentlichte der Franzose Stéphane Leduc (1853–1939) eine Arbeit mit dem Titel „La Biologie Synthétique“, die sich mit der Bildung von pflanzenartigen Formen beschäftigte, wenn man Schwermetallsalze in eine wässrige Lösung von Natriumsilicat gibt, ein so genannter Chemischer Garten. Im Unterschied dazu formulierte der Chemiker Emil Fischer bereits Ende des 19. Jahrhunderts das Programm einer gezielten chemischen Veränderung von Organismen für technische Zwecke, für das er 1915 erstmals den Ausdruck „chemisch-synthetische Biologie“ verwendete.Emil Fischer: Die Kaiser-Wilhelm-Institute und der Zusammenhang von organischer Chemie und Biologie. (1915). In: M. Bergmann (Hrsg.): Gesammelte Werke: Untersuchungen aus verschiedenen Gebieten: Vorträge und Abhandlungen allgemeinen Inhalts. J. Springer, Berlin 1924, S. 796–809.
1978 schrieb Waclaw Szybalski in seinem Kommentar zum Nobelpreis in Medizin für die Arbeiten von Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton SmithNobelpreis für Medizin 1978. Auf: nobelprize.org über Restriktionsenzyme:
1980 verwendete die Biologin und Wissenschaftsjournalistin Barbara Hobom den Begriff bei der Beschreibung rekombinanter Bakterien als Synonym für die Anwendung gentechnologischer Methoden.
2000 bezeichnete Eric Kool auf dem Jahrestreffen der American Chemical Society in San Francisco die Integration künstlicher chemischer Systeme in Lebewesen als synthetische Biologie. und etablierte damit das heutige Verständnis dieses Begriffs.
2004 fand die erste internationale wissenschaftliche Konferenz zur synthetischen Biologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Massachusetts/USA statt, die SB 1.0. Darauf folgten im Jahr 2006 die SB 2.0 (Berkeley, USA), 2007 die SB 3.0 (Zürich, Schweiz) sowie 2008 die SB 4.0 (Hongkong, China). Die SB 5.0 fand im Juni 2011 auf dem Gelände der Stanford University in Kalifornien, USA, statt.
2007 beantragten Forscher des J. Craig Venter Institute (Rockville, Maryland) in den USA Patentschutz für ca. 400 Gene, die ein im Labor konstruiertes Bakterium „betreiben“ sollen. Laut Patentantrag sollen die eigenen Gene des Bakteriums zunächst entfernt und anschließend die im Labor zusammengestellten Gene eingebracht werden, mit dem möglichen Ziel, Wasserstoff oder Ethanol zu produzieren.Peter Aldhous: Angry reception greets patent for synthetic life. In: New Scientist vom 16. Juni 2007, S. 13.
Im Januar 2008 berichtete eine Forschergruppe um Craig Venter, es sei erstmals gelungen, das Erbmaterial eines Bakteriums komplett synthetisch herzustellen. Vorbild für den Nachbau des Genoms sei Mycoplasma genitalium gewesen, als Name des synthetischen Nachbaus wurde Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 gewählt.
Im Mai 2010 veröffentlichten Forscher des J. Craig Venter Institute, ihnen sei es gelungen, das vollständige, im Labor synthetisierte Genom des Bakteriums Mycoplasma mycoides in eine DNA-freie Zelle von Mycoplasma capricolum einzuführen. Das synthetische Genom habe in der Zelle für Eiweiße von Mycoplasma mycoides codiert, so dass die Bakterienzellen sich normal vermehrten.
Konstruktion von DNA
Die Abwandlung des Konstruktionsprinzips der natürlichen DNA und ihr Verhalten in Bakterien führte einerseits zur Revision einiger Modellvorstellungen und ergab andererseits eine neue Diagnosemöglichkeit für Aids und Hepatitis (branched DNA diagnostic assay).
Ein neues Rückgrat Um die Möglichkeiten zu erforschen, Gene mit Hilfe der Antisensetechnik gezielt auszuschalten, wurde in den 1980er Jahren mit modifizierter DNA experimentiert. Da das Rückgrat eines Polynukleotidstranges aus stark wasseranziehenden (hydrophilen) Bausteinen (Phosphat und – bei der DNA – Desoxyribose-Zucker) besteht, wurden diese durch fettanziehende (lipophile) Bausteine ersetzt, um die Moleküle durch die innere, lipophile Schicht der Zellmembran hindurchschleusen zu können. Man ging dabei davon aus, dass das veränderte Rückgrat keine Auswirkung auf die Erkennung der komplementären Basen durch die Polymerasen hat. Der Ersatz der Rückgratbausteine führte aber zu vielen fehlerhaften Basenpaarungen bei der Verdopplung (Replikation) der DNA. So ergab der Ersatz der Nukleotide durch PNAs (polyamide-linked nucleic-acid analogues, den natürlichen Nukleinsäuren analoge Moleküle, deren Basen durch Polyamide verknüpft sind) Ketten, die nicht mehr als 15 bis 20 Bausteine enthielten. Der Ersatz der Ribose durch andere, weniger hydrophile Moleküle ergab ähnliche Ergebnisse.
Allerdings verhielten sich Nukleinsäuren mit Threose stabiler als ihre natürlichen Vorbilder. In natürlichen Systemen ist dies unter Umständen nicht sinnvoll, da eine zu hohe Stabilität der Basenpaarungen die Variationsmöglichkeiten und damit die Anpassungsfähigkeit durch Evolution einschränken.
Inzwischen ist gesichert, dass das Phosphat-Ribose-Gerüst eine wichtige Rolle für das Erkennungssystem der Polymerasen spielt.
Erweiterung des genetischen Codes mini|200px|Wasserstoffbrückenbindungen eines Adenin-Thymin-Basenpaars mini|200px|Wasserstoffbrückenbindungen eines Guanin-Cytosin-Basenpaars Der natürliche genetische Code beruht auf Triplett-Codons von vier verschiedenen Basen, von denen jeweils zwei zueinander komplementär sind und ein Basenpaar bilden können.
Quadruplett- und Pentaplett-Codons Eine Erweiterungsmöglichkeit ist die Verwendung von Basen-Quadrupletts oder gar -Pentapletts als Codons. Das Verfahren erfordert allerdings auch ein Redesign der Ribosomen.
Um Mikroorganismen in der Natur nicht vorkommende (d. h. im Genetischen Code nicht kodierte) Aminosäuren in Proteine einbauen zu lassen, ist es eine inzwischen etablierte Methode, die Interpretation des amber-Codon UAC als Stopp-Codon durch eine geeignete tRNA so zu modifizieren, dass es die gewünschte Aminosäure kodiert. Um Proteine mit mehreren nicht-natürlichen Aminosäuren herstellen zu lassen, taugt dieses Verfahren jedoch nicht. In diesem Fall will man den Translationsapparat so modifizieren, dass auch einige Quadrupletts erkannt und ihnen die jeweils gewünschten Aminosäuren zugeordnet werden. Auf diese Weise kann man etwa an die beiden Enden (N-Terminus und C-Terminus) des Proteins Calmodulin unterschiedliche künstliche Aminosäuren anhängen, die miteinander reagieren und sich in kovalenter Weise verbinden – ggf. werden an der Stelle des Ringschlusses weitere gewöhnliche Aminosäuren in die zyklisch geschlossene Variante des Proteins eingebaut, damit in der Kette keine Spannung die Funktionsweise beeinträchtigt. Die so entstehenden Protein-Abkömmlinge sind gegenüber Hitze, extremem pH-Wert und anderen Stressfaktoren beständiger als die Originale mit ihren offenen Enden. Auch extremophile Mikroorganismen benutzen zyklisch geschlossene Homologe der lebenswichtigen Proteine, um in ihrem Habitat zu überleben und zu gedeihen. Heinz Neumann, Jason W. Chin et al. testeten 2010 das Verfahren für Calmodulin mit Kolibakterien (Escherichia coli), die für die Translation benutze Ribosomen-Variante nannten sie „ribo-Q1“, das ringförmig geschlossene Calmodulin heißt GST–CaM–His₆. Das Gen dafür hat an Position 1 ein AGGA-Quadruplett-Codon sowie am Schluss ein amber-Codon. Als unnatürlichen Aminosäuren dienten p-Azido-L-Phenylalanin (AzPhep-Azido-L-phenylalanine. PubChemCID 3080772.) und N⁶-[(2-Propynyloxy)carbonyl]-L-Lysin (CAKN6-[(2 Propynyloxy)carbonyl]-L-lysine. GCE4All Knowledge Base (gce4all.org).).
Zusätzliche Nukleinbasen
Basis der Komplementarität sind Zahl und räumliche Ausrichtung der funktionellen Gruppen, welche die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Purin- und Pyrimidinbasen ermöglichen. Dabei fungiert ein Wasserstoff der Aminogruppe (–NH2) oder der Wasserstoff des Stickstoffs im Heterozyklus als Donor (D), Carbonylsauerstoff oder heterozyklischer Stickstoff mit einem nichtbindenden Elektronenpaar als Akzeptor (A).
Theoretisch ergeben sich für die Kombination von Purinen (pu) mit komplementären Pyrimidinen (py) 12 Kombinationsmöglichkeiten für drei Wasserstoffbrückenbindungen: pypupypuAAD DDA DDA AADADA (wie bei Thymin) DAD (wie bei Adenin) DAD ADAADD DAA DAA (wie bei Cytosin, hier allerdings DA-) ADD (wie bei Guanin) Damit ist es möglich, den genetischen Code um vier neue Basenpaare zu erweitern, was zu 448 neuen Codons führt. Mit einer modifizierten Polymerase lässt sich eine DNA, die auch diese Basenpaare enthält, replizieren.
Untersuchungen mit diesem modifizierten Replikationssystem haben gezeigt, dass die DNA-Reparaturenzyme nicht, wie das bis dahin gültige Modell vorschlug, die kleine Furche der DNA-Doppelhelix entlangwandern und den Nukleotidstrang nach nichtbindenden Elektronenpaaren der Wasserstoffbrücken-Donatoren absuchen.
Konstruktion von RNA
Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung von modifizierter mRNA als Impfstoff gegen den Erreger von COVID-19, SARS-CoV-2,Elie Dolgin: Der verschlungene Weg zum RNA-Impfstoff, Spektrum 3/2022 S. 28–37, Epub 16. Februar 2022. wie sie von der Firmen-Kooperation Biontech/Pfizer/Fosun (Tozinameran, Handelsname Comirnaty) und Moderna (mRNA-1273), sowie von anderen Unternehmen entwickelt wurden. Der Impfstoff Zorecimeran des Herstellers Curevac verwendet dagegen unmodifizierte RNA.
Konstruktion von Enzymen