Der synthetische Biologe Tom Knight sagte: „Das 21. Jahrhundert wird das Jahrhundert der technischen Biologie sein.“ Er ist einer der Begründer der synthetischen Biologie und einer der fünf Gründer von Ginkgo Bioworks, einem führenden Unternehmen auf diesem Gebiet. Das Unternehmen wurde am 18. September an der New Yorker Börse notiert und erreichte eine Marktkapitalisierung von 15 Milliarden US-Dollar.
Tom Knights Forschungsinteressen haben sich von der Informatik zur Biologie verlagert. Bereits während seiner Schulzeit nutzte er die Sommerferien, um am MIT Informatik und Programmierung zu studieren, und verbrachte anschließend auch sein Bachelor- und Masterstudium am MIT.
Tom Knight erkannte, dass das Mooresche Gesetz die Grenzen der menschlichen Manipulation von Siliziumatomen vorhersagte, und wandte sich daher Lebewesen zu. „Wir brauchen eine andere Methode, um Atome an die richtige Stelle zu bringen … Was ist die komplexeste Chemie? Es ist die Biochemie. Ich stelle mir vor, dass man Biomoleküle wie Proteine verwenden kann, die sich selbstorganisieren und innerhalb des benötigten Bereichs zusammenfügen können. Kristallisation.“
Die Anwendung quantitativer und qualitativer Methoden des Ingenieurwesens zur Entwicklung biologischer Originale hat sich zu einer neuen Forschungsmethode entwickelt. Die synthetische Biologie stellt einen Quantensprung im menschlichen Wissen dar. Als interdisziplinäres Feld, das Ingenieurwesen, Informatik, Biologie und weitere Disziplinen vereint, gilt das Jahr 2000 als Beginn der synthetischen Biologie.
In zwei in diesem Jahr veröffentlichten Studien ist es Biologen gelungen, mithilfe des Konzepts des Schaltkreisdesigns die Kontrolle der Genexpression zu erlangen.
Wissenschaftler der Boston University haben in E. coli einen Gen-Kippschalter konstruiert. Dieses Modell verwendet nur zwei Genmodule. Durch die Regulierung externer Reize kann die Genexpression ein- oder ausgeschaltet werden.
Im selben Jahr verwendeten Wissenschaftler der Princeton University drei Genmodule, um durch gegenseitige Hemmung und Aufhebung der Hemmung zwischen ihnen den „Oszillationsmodus“ des Schaltkreissignals zu erreichen.
Gen-Umschaltdiagramm
Zellwerkstatt
Bei dem Treffen hörte ich, wie die Leute über „künstliches Fleisch“ sprachen.
Nach dem Vorbild computerbasierter Konferenzen findet die „selbstorganisierte Unkonferenz“ zur freien Kommunikation statt. Einige Teilnehmer trinken Bier und unterhalten sich: Welche erfolgreichen Produkte gibt es im Bereich der „Synthetischen Biologie“? Jemand erwähnte „künstliches Fleisch“ unter dem Begriff „Unmögliches Essen“.
Impossible Foods hat sich nie als Unternehmen für „synthetische Biologie“ bezeichnet, doch das zentrale Verkaufsargument, das es von anderen künstlichen Fleischprodukten unterscheidet – das Hämoglobin, das vegetarischem Fleisch einen einzigartigen „Fleischgeruch“ verleiht – stammt von diesem Unternehmen und wurde vor etwa 20 Jahren in aufstrebenden Disziplinen entwickelt.
Die angewandte Technologie besteht darin, durch einfache Genomeditierung Hefezellen zur Produktion von „Hämoglobin“ zu befähigen. Um die Terminologie der synthetischen Biologie zu verwenden: Hefezellen werden zu einer „Zellfabrik“, die Substanzen nach menschlichen Wünschen produziert.
Was verleiht dem Fleisch seine leuchtend rote Farbe und seinen besonderen Duft? Das Geheimnis liegt vermutlich im hohen Hämoglobingehalt des Fleisches. Hämoglobin kommt zwar in vielen Lebensmitteln vor, ist aber in tierischen Muskeln besonders stark konzentriert.
Daher wählte der Firmengründer und Biochemiker Patrick O. Brown Hämoglobin als „wichtigste Zutat“ zur Simulation von Fleisch. Um dieses „Würzmittel“ aus Pflanzen zu gewinnen, entschied sich Brown für Sojabohnen, die in ihren Wurzeln reich an Hämoglobin sind.
Die traditionelle Produktionsmethode erfordert die direkte Extraktion von Hämoglobin aus Sojabohnenwurzeln. Für ein Kilogramm Hämoglobin werden 2,4 Hektar Sojabohnen benötigt. Da die Pflanzenextraktion kostspielig ist, hat Impossible Foods eine neue Methode entwickelt: Das Gen zur Hämoglobinproduktion wird in Hefezellen implantiert. Mit dem Wachstum und der Vermehrung der Hefezellen steigt auch die Hämoglobinmenge. Man kann sich das wie das Eierlegen einer Gans im Maßstab von Mikroorganismen vorstellen.
Häm, das aus Pflanzen gewonnen wird, wird in „künstlichen Fleisch“-Burgern verwendet.
Neue Technologien steigern die Produktionseffizienz und reduzieren gleichzeitig den Verbrauch natürlicher Ressourcen beim Anbau. Da die Hauptproduktionsmaterialien Hefe, Zucker und Mineralien sind, entsteht kaum chemischer Abfall. Betrachtet man es so, ist dies wahrlich eine Technologie, die „die Zukunft besser macht“.
Wenn Leute über diese Technologie sprechen, habe ich den Eindruck, sie sei einfach nur simpel. Ihrer Ansicht nach gibt es unzählige Materialien, die sich auf diese Weise genetisch verändern lassen: biologisch abbaubare Kunststoffe, Gewürze, neue Medikamente und Impfstoffe, Pestizide gegen bestimmte Krankheiten und sogar die Verwendung von Kohlendioxid zur Stärkesynthese… Ich begann, mir konkretere Vorstellungen von den Möglichkeiten der Biotechnologie zu machen.
Gene lesen, schreiben und verändern
Die DNA trägt alle Informationen des Lebens von ihrem Ursprung in sich und ist zugleich die Quelle tausender Merkmale des Lebens.
Heutzutage können Menschen DNA-Sequenzen problemlos lesen und nach Belieben synthetisieren. Auf der Konferenz hörte ich immer wieder von der CRISPR-Technologie, die 2020 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Diese Technologie, auch „Genschere“ genannt, kann DNA präzise lokalisieren und schneiden und ermöglicht so die Genomeditierung.
Auf dieser Genbearbeitungstechnologie sind zahlreiche Start-up-Unternehmen entstanden. Einige nutzen sie, um die Gentherapie schwerer Krankheiten wie Krebs und genetischer Erkrankungen zu entwickeln, andere wiederum, um Organe für die Transplantation beim Menschen zu züchten und Krankheiten zu erkennen.
Die Genomeditierungstechnologie hat so schnell Einzug in die kommerzielle Anwendung gefunden, dass die großen Zukunftsaussichten der Biotechnologie deutlich werden. Aus der Perspektive der Entwicklungslogik der Biotechnologie selbst liegt der nächste logische Schritt nach der Reife des Lesens, der Synthese und der Bearbeitung genetischer Sequenzen darin, auf genetischer Ebene Materialien zu entwickeln, die den menschlichen Bedürfnissen entsprechen. Auch die synthetische Biologie kann als nächste Stufe in der Entwicklung der Gentechnologie verstanden werden.
Die beiden Wissenschaftlerinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer A. Doudna gewannen 2020 den Nobelpreis für Chemie für die CRISPR-Technologie.
„Viele Menschen sind von der Definition der synthetischen Biologie besessen… Es hat eine Art Kollision zwischen Ingenieurwesen und Biologie gegeben. Ich denke, alles, was daraus entsteht, wird mittlerweile als synthetische Biologie bezeichnet“, sagte Tom Knight.
Betrachtet man den Zeitraum seit den Anfängen der Landwirtschaft, so haben Menschen durch langjährige Kreuzung und Selektion die gewünschten Tier- und Pflanzeneigenschaften selektiert und erhalten. Die synthetische Biologie setzt direkt auf der genetischen Ebene an, um die vom Menschen gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Aktuell nutzen Wissenschaftler die CRISPR-Technologie, um Reis im Labor zu züchten.
Einer der Organisatoren der Konferenz, Qiji-Gründer Lu Qi, erklärte im Eröffnungsvideo, dass die Biotechnologie, ähnlich wie die Internettechnologie, tiefgreifende Veränderungen für die Welt mit sich bringen könnte. Dies scheint zu bestätigen, dass alle Internet-CEOs bei ihrem Rücktritt Interesse an den Lebenswissenschaften bekundet hatten.
Die Internetgiganten beobachten die Situation genau. Steht der Geschäftstrend der Biowissenschaften nun endlich bevor?
Tom Knight (erster von links) und vier weitere Gründer von Ginkgo Bioworks | Ginkgo Bioworks
Während des Mittagessens hörte ich eine Neuigkeit: Unilever gab am 2. September bekannt, dass das Unternehmen 1 Milliarde Euro investieren wird, um bis 2030 fossile Brennstoffe in saubere Rohstoffe für seine Produkte umzuwandeln.
Innerhalb von zehn Jahren wird Procter & Gamble seine Waschmittel, Waschpulver und Seifenprodukte schrittweise auf pflanzliche Rohstoffe oder CO₂-Abscheidungstechnologien umstellen. Das Unternehmen hat zudem eine Milliarde Euro für einen Forschungsfonds bereitgestellt, der die Forschung in den Bereichen Biotechnologie, CO₂-Abscheidung und anderen Technologien zur Reduzierung von CO₂-Emissionen fördern soll.
Die Leute, die mir diese Neuigkeit mitteilten, waren, genau wie ich, etwas überrascht über die Zeitspanne von weniger als 10 Jahren: Wird die technologische Forschung und Entwicklung bis zur Massenproduktion so schnell vollständig realisiert werden können?
Aber ich hoffe, es wird wahr.
Veröffentlichungsdatum: 31. Dezember 2021