VBIO

Forschungsansätze

Der Chemiker Emil Fischer formulierte bereits Ende des 19. Jahrhunderts das Programm einer gezielten chemischen Veränderung von Organismen für technische Zwecke und prägte  1915 den Ausdruck „chemisch-synthetische Biologie“. 2000 bezeichnete Eric Kool die Integration künstlicher chemischer Systeme in Lebewesen als „Synthetische Biologie“ und etablierte damit das heutige Verständnis dieses Begriffs. Man unterscheidet vor allem drei Forschungsansätze.

Top-down-Ansatz

Ansatzpunkt ist die Reduktion eines natürlichen Organismus auf das absolut erforderliche Minimum an Komponenten und Prozessen, die dem Organismus das Überleben zumindest unter Laborbedingungen ermöglichen. Gelingt die Herstellung einer solchen Minimalzelle, steht den Wissenschaftlern ein Labororganismus mit einem reduzierten Komplexitätsgrad zur Verfügung, an dem sich wichtige Prozesse leichter untersuchen lassen.

Ausgehend von einer solchen Minimalzelle werden schließlich definierte fremde Elemente oder Module hinzugefügt, z. B. auch ganze Gencluster. Der Methodenfundus des Top-down-Ansatzes ist jenem der Gentechnologie ähnlich, wenngleich komplexer und anspruchsvoller. Ein reales Beispiel des angewandten Top-down-Ansatzes ist die technische Einschleusung bestimmter Gene in Hefezellen, die es diesen erlauben, die Vorstufe eines Antimalariamittels herzu stellten.


Bottom-up-Ansatz

Ziel ist es, ausgehend von einfachen chemischen Bausteinen komplexe Biosysteme von Grund auf neu zu erstellen. Dies erfordert eine sehr gute Kenntnis der Komponenten biologischer Systeme (Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Nukleinsäuren; aber auch Membranen und Organellen).

Auf dieser Basis entwerfen Wissenschaftler ein (neues) biologisches System mit den erwünschten Funktionen. Sie konstruieren dieses gemäß chemisch-physikalischer Grundprinzipien aus den Einzelmodulen. Als Bausteine kommen dabei nicht nur natürliche, sondern auch modifizierte natürliche und gänzlich synthetische Biomoleküle zum Einsatz.

Besonders deutlich wird das Baukastenprinzip beim studentischen iGEM-Wettbewerb. Die Teilnehmer versuchen, eine Fragestellung durch die Nutzung vereinheitlichter Methoden und standardisierter, frei kombinierbarer DNA-Bausteine, den BioBricks, zu lösen

Eines der Hauptziele des Bottom-up-Ansatzes ist die Entwicklung prototypischer Zellen (sogenannter Protozellen). Es handelt sich dabei nicht um lebende Zellen, sondern um künstliche replikationsfähige Einheiten, die viele Eigenschaften lebender Zellen aufweisen (z. B. einen mutierbaren Informationsspeicher, ein Stoffwechselsystem, eine umhüllende Membran). Protozellen gelten als wichtige hypothetische Entwicklungsstufe im Rahmen der chemischen Evolution des Lebens. Ihre künstliche Konstruktion soll helfen, die Grundprinzipien des Lebens besser zu verstehen.


Xenobiologie

Die Xenobiologie erforscht neuartige biologische und biochemische Systeme, die sich von dem kanonischen („natürlichen“) Systemen unterscheiden. So werden die natürlichen DNA- und RNA-Moleküle durch synthetische Nukleinsäure-Analoga ersetzt und unter der Bezeichnung Xenonukleinsäuren (XNA) als Informationsträger verwendet. Dabei geht es letztlich um eine Erweiterung des genetischen Codes und den Einbau von Aminosäuren, die normalerweise nicht in Proteine eingebaut werden.


Risikoprävention

Es gibt verschiedene konzeptionelle Ansätze, um potentiellen Risiken vorzubeugen, die durch Organismen oder Produkte hervorgerufen werden können, die durch Methoden der Synthetischen Biologie entstanden sind.

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