Teleportierte Moleküle, kundenspezifische Genome und andere Innovationen, die die größten Versprechen der Technologie erfüllen.

Die synthetische Biologie - aus biologischen Komponenten Dinge von Grund auf neu zu machen - blüht seit Jahrzehnten. Aber jetzt führen Verbesserungen in der DNA-Sequenzierungs- und Synthesetechnologie dazu, dass synthetische Biologen größere, mutigere und plausibelere Vorschläge zur Lösung einiger der größten Probleme der Menschheit machen.

Pharma-, Energie- und Agrarunternehmen haben die Gentechnik weitgehend zur Herstellung schwierig zu bauender Moleküle eingesetzt. Heutzutage ist die synthetische Biologie jedoch bereit, viele Dinge zu schaffen, die in so unterschiedlichen Anwendungen wie Pflanzendünger, Textilien und digitaler Datenspeicherung sonst nicht möglich wären.

„Ich denke, DNA wird das wichtigste Material des 21. Jahrhunderts sein“, sagt Emily Leproust, CEO von Twist Bioscience, die maßgeschneiderte DNA-Stränge herstellt, die für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden können, einschließlich der Speicherung ultradichter Daten. "Im letzten Jahrhundert ging es um Computer, und jetzt treten wir in eine Ära der Biologie ein."

Google, Amazon, Procter & Gamble, Apple und IKEA haben Vertreter zur jüngsten SynBioBeta 7.0-Konferenz nach San Francisco geschickt. „Alle diese Unternehmen, die Sie auf einer Konferenz für synthetische Biologie nicht wirklich erwarten würden, verlangen jetzt nach Geschäften und Partnerschaften, um sich in diese neue Branche zu integrieren“, sagt John Cumbers, Mitbegründer von SynBioBeta.

„Wenn Sie an die 1960er Jahre zurückdenken, als wir gerade den Transistor erfanden und dann die Geschichte des Silicon Valley, des Mikroprozessors, des Internets und des Webs durchgingen - jetzt bauen 25 Prozent der Weltwirtschaft auf dieser Technologie auf“, so Cumbers sagt. "Es ist schwierig, den Zeitplan zu bestimmen, aber sagen wir, in den nächsten 25 Jahren werden der Biologie-Stack und die darauf aufbauende Wertschöpfung definitiv mehr als 25 Prozent der Weltwirtschaft ausmachen."

Worum geht es also? Hier sind sechs der Trends und Entwicklungen, die es in den kommenden Jahren zu beobachten gilt:

Das Abfließen von Stickstoffdüngern ist eine Hauptquelle für Wasserverschmutzung und ein anhaltendes Umweltproblem. Was wäre, wenn wir nicht so viel Dünger auftragen müssten?

Einige Pflanzen, wie Erbsen und Sojabohnen, stellen ihren eigenen Dünger her - oder genauer gesagt, Mikroben, die auf diesen Pflanzen gedeihen, tun dies für sie, indem sie den in der Luft im Boden befindlichen Stickstoff „fixieren“. Diese Bakterien eignen sich nicht gut für andere gängige Kulturen, daher werden synthetische Biologen versuchen, solche herzustellen, die dies tun. Ein Startup namens Ginkgo Bioworks und der Chemiekonzern Bayer investieren 100 Millionen US-Dollar in eine Partnerschaft, um synthetische Organismen zu entwickeln, die Pflanzenwurzeln mit Stickstoff versorgen und so den Bedarf an Düngemitteln verringern. In der Zwischenzeit versucht Pivot Bio, die Fähigkeit der Mikroben zur Stickstofffixierung zu verbessern. „Was jeder auf dem Gebiet mit Mikroben sehen möchte, ist eine erneuerbare und nachhaltige Art der Herstellung dieses Düngemittels“, sagt Karsten Temme, CEO von Pivot Bio. "Es war wirklich ein langfristiges, schwer fassbares Ziel für das Feld."

Ein Grippevirus kann sich innerhalb weniger Tage auf der ganzen Welt verbreiten, aber Grippeimpfstoffe bleiben normalerweise weit hinter neuen Stämmen zurück. Um einen neuen Impfstoff herzustellen, müssen die Forscher den aufkommenden Stamm lokalisieren, verpacken und an eine Impfstoffentwicklungsfirma senden, die die Viruspartikel in Hühnereier injiziert, um große Mengen an Antikörpern zu erzeugen, und diese dann als Impfstoffe verpackt. Der gesamte Vorgang dauert mindestens einen Monat, oft länger. Aber was wäre, wenn Impfstoffentwickler die Reisezeit verkürzen könnten, indem sie virale DNA so einfach senden wie eine E-Mail?

Das Unternehmen Synthetic Genomics von Craig Venter hat kürzlich damit begonnen, das BioXP zu vermarkten, ein Gerät, das digitalisierte Sequenzdaten als DNA- oder RNA-Stränge „ausdrucken“ und in Bakterien einfügen kann. Das Drucken von Genen mit BioXP-Maschinen erfordert immer noch maßgeschneiderte Inhaltsstoff-Kits. Die meisten Biolabors verfügen nicht über die richtigen Chemikalien in den richtigen Mengen. Daher bestellen die Forscher die Inhaltsstoff-Sets vorab bei Synthetic Genomics. Spätere Inkarnationen von Bio-Digital-Konvertern können jedoch möglicherweise ganze Viren aus digitalen Daten wiederherstellen, die als E-Mail-Anhänge gesendet werden. Es ist vergleichbar mit dem Teleportieren von Molekülen.

Dan Gibson, Vice President für DNA-Technologie bei Synthetic Genomics, stellt sich eine Zukunft vor, in der Digital-Biologisch-Wandler in Krankenhäusern alltäglich werden und es Ärzten ermöglichen wird, maßgeschneiderte Medikamente für Patienten auszudrucken. "Es gibt nur eine breite Palette von Anwendungen: Medikamente, Biochemikalien, Biokraftstoffe", sagt er. "DNA ist wirklich nur der Anfang davon, irgendetwas stromabwärts von RNA über Protein bis hin zu ganzen Bakteriengenomen herzustellen."

Bei der Organisation der SynBioBeta-Konferenz bemerkte Cumbers ein gemeinsames Thema in den Unternehmen der Newcomer: Lebensmittel. Insbesondere synthetische Versionen von proteinreichen tierischen Produkten.

Die Idee von Fleisch und Milchprodukten aus Laboranbau gibt es schon seit Jahren, aber 2017 kam es zu einem deutlichen Anstieg der Mittel für Synbio-Lebensmittelunternehmen, die landwirtschaftliche Produkte aus Zellen und Mikroben herstellen. Diese Unternehmen setzen darauf, dass sie die weltweit rasante Nachfrage nach Fleisch, Eiern, Fisch und Käse auf nachhaltige und profitable Weise befriedigen können. Während Unternehmen wie Memphis Meats und Finless Foods Fleisch aus Laboranbau für den menschlichen Verzehr entwickeln, arbeiten andere Unternehmen daran, Fischfarmen nachhaltiger und den Fisch in ihnen gesünder zu machen. Microsynbiotix ist eine gentechnisch veränderte Alge zur Herstellung essbarer Impfstoffe zum Schutz von Zuchtfischen.

Wir neigen dazu, das Blau unserer Jeans als selbstverständlich zu betrachten, aber die industriellen Farbstoffe, die Massenware mit ihrer Farbe erfüllen, sind kein Scherz. Arbeiter, die Farbstoffdämpfe einatmen, haben häufig Lungenprobleme, und Textilpflanzen sind eine der weltweit führenden Quellen für Wasserverschmutzung.

Designer Natsai Chieza sieht jedoch eine mögliche Lösung in den bunten Flecken, die Mikroben hinterlassen. Sie verwendet Bakterienkulturen, um Schals in bunten Mustern zu färben. In ihrer derzeitigen Rolle als Designer-in-Residence bei Ginkgo Bioworks arbeitet sie mit Wissenschaftlern zusammen, um Wege zu finden, den Prozess zu skalieren.

In Zukunft können auch synthetische Organismen in den Stoff unserer Kleidung eingewebt werden. Ein Unternehmen namens bioLogic, das von Lining Yao geleitet wird und im MIT Media Lab ansässig ist, verwendet Bakterien, die sich bei Feuchtigkeit ausdehnen, um einen Stoff herzustellen, der auf Schweiß reagiert, indem er „Öffnungen“ im Stoff öffnet.

Synthetische Biologen, die an Bakterien basteln, haben ein begrenztes Toolkit. Im Allgemeinen arbeiten sie mit dem Bakterium E. coli. Wenn Sie möchten, dass ein Gen in ein Protein übersetzt wird, klonen Sie es und setzen Sie es in E. coli ein. E. coli ist die Spezies, für die Laborgeräte gebaut wurden. Aber was ist, wenn das Gen, das Sie hinzufügen möchten, nicht mit der genetischen Maschinerie von E. coli übereinstimmt? Das Gen könnte in einem anderen Organismus besser funktionieren.

Wenn synthetische Biologen die natürlichen Talente von mehr Arten nutzen könnten, könnten sie Biofabriken mit höheren Erträgen als E. coli anbauen und viele neue synthetische Biologieprodukte könnten entstehen, sagt Sarah Richardson, Mitbegründerin von MicroByre. Um es Wissenschaftlern zu erleichtern, andere Bakterienarten zu manipulieren, entwickelt MicroByre Laborgeräte, die andere Mikroben aufnehmen können. "Es ist absolut ein Unfall der Geschichte, auf den wir uns bei [E. coli] konzentriert haben", sagt sie. "Wir haben es buchstäblich aus unserem Hintern gezogen."

Die Gene von Bakterien zu optimieren ist eine Sache. Was können Sie tun, indem Sie Bakterien - oder komplexere Organismen - vollständig von Grund auf neu programmieren?

Diese große Frage treibt das Schreiben von Genomprojekten (GP-Schreiben) voran, eine Fortsetzung des Humangenomprojekts. Die Verantwortlichen erwarten, dass das Zerlegen von Genomen und das Schreiben neuer Genome ihr Verständnis der Biologie vertiefen und eine Grundlage für zukünftige Technologien bilden wird. Sie könnten bis Ende des Jahres ein Hefegenom synthetisieren.

Gegenwärtig können nur eine Handvoll Elite-Synbio-Labors ganze Bakteriengenome schreiben, aber das Ziel von GP-write ist es, das Schreiben von Genen billiger und zugänglicher zu machen. Ihr erklärtes Ziel ist es, die Kosten für das Schreiben von Genomen auf weniger als ein Tausendstel der heutigen Kosten zu senken.

Das gemeinnützige Zentrum für Exzellenz in der synthetischen Biologie koordiniert die Arbeit unter der Leitung von Jef Boeke von der NYU. Harvards George Church; Andrew Hessel von Autodesk; und Nancy J Kelley, die ehemalige Gründungsdirektorin des New York Genome Center. Einige Pilotprojekte laufen auf den Weg, darunter der Versuch, menschliche Zellen (in Petrischalen) zu erzeugen, aus denen alle wichtigen Vitamine und Nährstoffe selbst hergestellt werden können. Einige Gruppen innerhalb von GP-write konzentrieren sich auf technologische Probleme wie das Zusammensetzen eines DNA-Strangs mit Chromosomenlänge. Andere konzentrieren sich auf die Öffentlichkeitsarbeit und darauf, Wege zu finden, um mehr Menschen in die bioethischen Gespräche rund um das Genom-Engineering einzubeziehen.

Laut Kelley gehören die öffentlichen Wahrnehmungen der Gentechnik zu den größten Hindernissen der Initiative. „Wenn Menschen über die Entwicklung oder Synthese des menschlichen Genoms nachdenken, springen sie sofort in eine schöne neue Welt der Designer-Babys“, sagt sie. "Dort geht dieses Projekt nicht hin." Sie fügt hinzu, dass die Arbeit in menschlichen Zellen - aber nicht in tatsächlichen Menschen - "die ethische und soziale Konversation darüber vorantreiben wird, wie wir diese Technologien einsetzen wollen".