Das Bemühen, die Evolution der Frösche zu beschleunigen und neue Lebensformen aufzubauen, gestaltet sich komplexer als das Lesen und Schreiben von DNA. Illustration von Daniel Zender

Im Wettlauf um ein Leben von Grund auf neu

Synthetische Biologen wollen die Welt mit künstlichen Organismen verändern. Was wird es dauern, um dorthin zu gelangen?

In 2016 gaben Forscher des J. Craig Venter Institute bekannt, dass sie eine brandneue Lebensform geschaffen haben: ein Bakterium mit nur 473 Genen. Bekannt als Syn 3.0, hatte die Zelle ein kleineres Genom als jede andere in der Natur vorkommende Lebensform. Es wurde als wegweisende Errungenschaft gefeiert und läutete eine neue Ära ein, in der Wissenschaftler den genetischen Code verwenden würden, um Designer-Lebensformen zu schaffen. Das synthetische Leben, verkündet Venter, war Realität. "Ich war am Bau beteiligt", sagt er.

Nicht alle waren sich einig - damals oder heute. Um Syn 3.0 herzustellen, synthetisierte das JCVI-Team Repliken von Genomen aus natürlichen Bakterien und platzierte sie in lebenden Zellen, deren Genome entfernt worden waren. Dann nahmen sie nacheinander die Gene weg, bis die Zellen nicht mehr funktionieren konnten.

Die Leistung des JCVI war der Höhepunkt "heroischer Arbeit", sagt Drew Endy, ein synthetischer Biologe an der Stanford University. Aber es zählt nicht wirklich als künstliches Leben.

Auf diese Weise sollte systematisch ermittelt werden, welche Gene lebenswichtig sind. Das Ergebnis, eine Art lebensnotwendiges Minimum, ließ viele wichtige Fragen offen. Darunter: Niemand weiß, was 149 der 473 essentiellen Gene tun. Wie Endy und andere vermuten, hat das Venter-Team 2016 einen Roman von Hand kopiert. Der Prozess bietet wichtige Hinweise auf die Struktur einer Erzählung, ist aber nicht dasselbe, als zu wissen, wie man ein komplett neues Buch schreibt.

In den Köpfen der Puristen des künstlichen Lebens werden Forscher nur dann Erfolg haben können, wenn sie aus chemisch synthetisierten Molekülen eine voll funktionsfähige Zelle hergestellt haben. Diese Zelle muss sich vermehren, ihren eigenen Stoffwechsel aufrechterhalten und sich an die Umwelt anpassen. Und Wissenschaftler müssen verstehen, was alle Gene der Zelle tun.

Wenn es Ihr Ziel ist, neuartige Lebensformen von Grund auf neu zu erschaffen, müssen Sie also mehr tun, als nur das zu reproduzieren, was bereits existiert. Das ist im Grunde genommen nur eine blinde Nachahmung, vermutet Kate Adamala, Biochemikerin an der University of Minnesota, Twin Cities. Indem sie alle Wörter abschreibt, sagt sie: "Ich könnte sagen, ich habe Hundert Jahre Einsamkeit geschrieben", und technisch habe ich es geschrieben. Aber ich habe nicht verstanden, wie. "

Die Synthetische Biologie ist ein Feld von überwältigenden Möglichkeiten. Durch die Optimierung des Genoms von Mikroben könnten Bioingenieure virusresistente Pflanzen, biologisch abbaubare Computer, die in unser Gehirn implantiert werden, oder Zellen produzieren, die den Marsboden mit Nährstoffen versorgen und den Roten Planeten bewohnbar machen könnten. Diese Möglichkeiten sind so beeindruckend, dass jeder neue Schritt Hoffnungen und Sorgen über eine maßgeschneiderte Welt mit technischen Organismen weckt, die Krankheiten heilen und die Umwelt retten oder die Evolution mit unkontrollierbaren Konsequenzen auslösen können.

"Das Lesen des genetischen Codes ist jetzt sehr einfach", sagt Venter. "Den ganzen genetischen Code schreiben - es ist eine andere Ebene."

Aber das Feld hat ein Identitätsproblem mit einer unsicheren Ziellinie, die durch unterschiedliche Motivationen durcheinandergebracht wird. Und diese widersprüchlichen Visionen spiegeln ein grundlegendes Problem bei der Bewertung des Fortschritts der synthetischen Biologie wider: Auch wenn die Forschung neue Erfindungen in die Welt bringt, ist sich niemand einig, was das endgültige Ziel des Fachgebiets sein sollte, was bedeutet, dass es keinen Konsens darüber gibt, wie man dahin kommt.

Da es so viele verschiedene Definitionen von Erfolg gibt, reicht die Schätzung, wann wir ein echtes künstliches Leben haben, von fünf Jahren über 1.000 bis hin zu nie. "In der Community herrscht Unklarheit darüber, was möglich ist", sagt Endy. Die Suche nach künstlichem Leben hängt auch mit der grundlegendsten Frage zusammen: Was ist das Leben überhaupt?

Ihr sogenanntes Leben

Für einige Wissenschaftler wird synbio künstliches Leben geschaffen haben, wenn es DNA in großem Maßstab zu neuen Kombinationen zusammensetzen kann - indem es Hunderte von Genen auf einmal addiert oder subtrahiert, anstatt die Einzelgen-Bearbeitungen, die jetzt mit der Gentechnik möglich sind. Diese Manipulationen werden die Grenzen des Lebens erweitern und neue Formen und Funktionen schaffen. Diese Idee des künstlichen Lebens - neuartige und funktionelle Organismen mit noch nie dagewesenen Genkombinationen - wird häufig durch praktische technische Ziele motiviert: den Aufbau von Zellen, die Giftmüll beseitigen, Medikamente abgeben oder Antibiotikaresistenzen bekämpfen können.

Für andere ist das ultimative Ziel elementarer: Mit den Werkzeugen der synthetischen Biologie die Ursprünge des Lebens kennenlernen oder herausfinden, wonach auf der Suche nach Leben auf anderen Planeten gesucht werden muss. Diese Definition von künstlichem Leben erfordert, dass Wissenschaftler alle Teile herstellen und sie mit einem viel tieferen Verständnis der Funktionsweise jeder Komponente und ihrer Wechselwirkung zusammensetzen.

Auch die Methoden sind unterschiedlich. Das Venter-Team verfolgte einen Top-Down-Ansatz und zerlegte die Lebensformen, um einen Einblick in ihre Funktionsweise zu erhalten. Um wirklich zu verstehen, wie jede Komponente funktioniert, verwenden andere Wissenschaftler eine Bottom-up-Strategie, bei der Teile in Reagenzgläsern zusammengefügt werden, um eine funktionierende Zelle zu zünden. Das ehrgeizige Hefe-2.0-Projekt zielt beispielsweise darauf ab, alle 16 Chromosomen (und 12 Millionen Basenpaare) einer Hefezelle von Grund auf neu zu synthetisieren. Bisher haben Forscher sechs der 16 wieder aufgebaut.

Das technisch herausfordernde Kunststück, ein gesamtes Hefegenom zu synthetisieren, würde neue Einblicke in die Evolution mit potenziellen Verwendungen in der Landwirtschaft und der Ethanolproduktion bieten. Bei solchen Projekten müssen sich Wissenschaftler jedoch mit einigen der tiefgreifenden offenen Fragen der Biologie und Genetik auseinandersetzen.

Wie das JCVI-Experiment zum Beispiel zeigt, sind mehr als 100 der Gene, die eindeutig für das Leben notwendig sind, Rätsel, deren Funktion und Zweck noch unbekannt sind. Darüber hinaus ist die Art und Weise, wie Gene verwaltet werden, noch weitgehend rätselhaft. Für einen einfachen Stoffwechselprozess sind möglicherweise fünf Schritte erforderlich, um ein lebensnotwendiges Protein zu verarbeiten, und Wissenschaftler können genau herausfinden, welche Gene und Enzyme an jedem Schritt beteiligt sind. Aber ohne zu wissen, was jeden Schritt des Pfades auslöst, reguliert, kontrolliert oder hemmt, werden sie nie verstehen, wie sie die Kontrolle über den Prozess übernehmen und einen Organismus am Leben erhalten können. Trotz vieler Durchbrüche, die präzise Werkzeuge für die Reparatur und Bearbeitung von DNA hervorgebracht haben, können Wissenschaftler immer noch nicht erklären, wie Gene miteinander interagieren oder warum sie sich ein- oder ausschalten. "Das Lesen des genetischen Codes ist jetzt sehr einfach", sagt Venter. "Den ganzen genetischen Code schreiben - es ist eine andere Ebene."

Als die Fähigkeit, Genome zu sequenzieren, schneller und billiger wurde, schien es nur eine Frage der Zeit zu sein, bis die Wissenschaftler in der Lage waren, Zellen nach Belieben neu zu programmieren.

Zu diesem Zweck hat das JCVI-Team die Biologie wesentlicher Gene und ihre gegenseitige Abhängigkeit untersucht. Ein Gen, das zunächst nicht notwendig zu sein schien, erwies sich als essentiell für die Funktion eines anderen Gens, sagt Venter und fügt hinzu, dass derzeit ein Artikel über diese Co-Abhängigkeit in Arbeit ist. "Wir haben es nicht vollständig gelöst, aber wir sind einen sehr langen Weg gegangen", sagt er.

In gewisser Hinsicht hat dieser Fortschritt jedoch versagt. Anstatt zu klären, was Leben ist und wie es gemacht werden kann, hat die neue Ära des Bioengineerings Verwirrung darüber ausgelöst, was als Leben zu qualifizieren ist und worin der Unterschied zwischen wirklich und künstlich besteht. „Wir haben nicht nur die vorherigen Fragen nicht beantwortet, sondern auch eine Reihe neuer Fragen generiert, die wir uns noch nie vorgestellt haben“, sagt Robert Dorit, Evolutionsbiologe am Smith College in Northampton, Massachusetts. "Wir wischen hier nicht die Ränder auf. Wir sind mitten im Bauch des Tieres. "

Ist das echtes Leben oder nur eine Fälschung?

Die Idee, dass Menschen eines Tages in der Lage sein könnten, Leben von Grund auf neu zu erschaffen, stammt aus den frühen 1910er Jahren, als der französische Biophysiker Stéphane-Armand Nicolas Leduc angeblich als erster die Worte „Synthetische Biologie“ benutzte. Leduc wurde von einem Kollegen inspiriert, der hatten anorganische Materialien verwendet, um Harnstoff zu synthetisieren, ein organisches Molekül, das im Urin von Säugetieren gefunden wurde. Die Synthese von Harnstoff ist heute eine Übung für Chemiker im Grundstudium. Damals war es eine dramatische Leistung. Zu dieser Zeit schien es unmöglich, künstliche Versionen der von lebenden Zellen produzierten Moleküle herzustellen, sagt Floyd Romesberg, ein chemischer Biologe am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien. „Einige Leute glaubten, sie bräuchten einen Lebensfunken, einen Gott oder eine Art Lebenskraft. Dann hat ein Chemiker einen gemacht “, sagt Romesberg. "So etwas hat die Grenze zwischen leblos und lebendig gesprengt."

Die moderne synthetische Biologie wurde vor etwa 15 Jahren mit einer Fusion von Ideen und Techniken in den Bereichen Ingenieurwesen, Molekularbiologie, Biotechnologie und anderen Bereichen geboren. Als die Fähigkeit, Genome zu sequenzieren, schneller und billiger wurde, schien es nur eine Frage der Zeit zu sein, bis Wissenschaftler den Code nicht nur lesen, sondern DNA zur Neuprogrammierung von Zellen verwenden konnten, so wie es Biologen und Chemiker in früheren Generationen taten lernte schließlich organische Moleküle zu synthetisieren, die man in der Natur nicht findet.

Einige dieser Neuprogrammierungen finden bereits in Venters Labor und anderswo statt. 2014 synthetisierten Romesberg und Kollegen zwei neue Nukleotid-Buchstaben, die in die DNA-Basen A, T, G und C integriert werden konnten. Neue Nukleotide eröffnen die Möglichkeit, dass DNA für völlig neue Proteine ​​mit neuen Formen kodiert, die es ihnen ermöglichen, neue Funktionen auszuführen.

Durch die strategische Platzierung dieser unnatürlichen Buchstaben in einem ansonsten natürlichen Genom schuf Romesbergs Gruppe 2017 neue Aminosäuren und neue Proteine ​​mit potenziellen medizinischen Anwendungen. Eine synthetische Variante des Proteins Interleukin-2 zum Beispiel ist vielversprechend als Krebsmedikament mit weniger Nebenwirkungen, sagt Romesberg, dessen Start-up-Unternehmen Synthorx kürzlich einen Börsengang für 100 Millionen US-Dollar für die Herstellung des Arzneimittels beantragt hat.

Im Allgemeinen sind halbsynthetische Genome wie diese, die ein paar hundert unnatürliche Nukleotide in ein grundsätzlich natürliches Genom einbauen, praktikabler als vollsynthetische Organismen, sagt Romesberg. Andere praktische Anwendungen könnten Waschmittelenzyme sein, die hoher Hitze standhalten, oder künstlicher Ersatz für fossile Brennstoffe.

In einem Jahrzehnt oder länger, so sagt Church, werden wir Organismen haben, deren Proteine ​​sich in entgegengesetzten Konfigurationen falten und so immun gegen Viren, Raubtiere und Enzyme sind.

Andere Gruppen tauchen jedoch in die intensive (und möglicherweise vergebliche) Herausforderung ein, das Leben von Grund auf neu aufzubauen. Eine Open-Source-Kooperation namens Build-A-Cell zielt darauf ab, eine völlig neue Zelle zu konstruieren, die sich selbst reproduzieren kann und die die Wissenschaftler verstehen können, um genau zu erklären, was jedes Gen tut. Diese Zelle wird wahrscheinlich zunächst ein einfacher Prokaryot wie ein Bakterium sein, aber den Möglichkeiten der Wissenschaftler sind keine Grenzen gesetzt. "Das erklärte Ziel von Build-A-Cell ist, dass wir kein Ziel haben", sagt Adamala, eines von sechs Mitgliedern der Lenkungsgruppe. "Jeder, der glaubt, eine künstliche Zelle bauen zu wollen, ist willkommen."

Endy beschreibt Build-A-Cell, zu dem Dutzende von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt gehören, als „Gemeinschaft der Liebe“, nicht als Rasse oder Wettbewerb. Die Bemühungen, die sowohl Bottom-up- als auch Top-down-Strategien (einschließlich der Venter-Gruppe) umfassen, basieren auf Slack-Gruppen, Google-Dokumenten und einer Richtlinie ohne Geheimnisse. Parallele Bemühungen in Europa umfassen Fabricell und BaSyC oder den Bau einer synthetischen Zelle. Bisher haben die Forscher Fortschritte bei der Synthese einzelner Bestandteile von Zellen, einschließlich Ribosomen und Membranen, erzielt - frühe Schritte in Richtung des Endziels der Gruppe, Leben aus nicht lebender Materie zu machen. Was noch fehlt, sagt Adamala, ist eine Möglichkeit, all diese Subsysteme zu einem Ganzen zu verbinden.

Parallel dazu war George Church, ein Genetiker in Harvard und am Massachusetts Institute of Technology, Mitbegründer von Genome Project-Write (GP-Write), einer internationalen Zusammenarbeit zur Synthese großer Genome, einschließlich solcher für Pflanzen und Menschen. Das Einbringen neuer Genome in bestehende Zellen und Organismen wird die Medizin und die Landwirtschaft revolutionieren und Zelllinien schaffen, die immun gegen Krebs und Viren oder gegen Schädlinge resistente Pflanzen sind. Bei einem Treffen im Mai diskutierten die GP-Write-Mitarbeiter laufende Projekte, zum Beispiel den Versuch, diese belastbaren Zellen durch die Rekodierung von DNA-Abschnitten zu schaffen, auf die sich Viren zur Replikation in Zellen stützen.

Indem Church und sein Kollege Jef Boeke von der NYU Langone Health etwa ein Prozent des Genoms einer menschlichen Zelllinie ersetzen, können sie eine Plattform für die Herstellung von Impfstoffen und Medikamenten schaffen, die gegen die Kontamination mit Viren und Prionen, diesen mysteriösen infektiösen Proteinen, resistent sind. Sie wollen auch Schweine ausbilden, um sie immun gegen Krankheiten zu machen und virusresistente Organe zu züchten, die für die Transplantation in den Menschen besonders sicher sind. Versuche mit künstlichen Schweinetransplantationen bei Primaten haben bereits begonnen, aber Church schätzt, dass virusresistente Schweinezellen drei bis zehn Jahre entfernt sind. Bereits haben er und seine Kollegen einen E. coli-Stamm konstruiert, der die Bakterien so verändert, dass sie gegen Viren resistent sind. Dennoch ist es ein großer Schritt von dort zu den Tausenden von Änderungen, die erforderlich wären, um eine menschliche Zelle vor Viren zu schützen.

Später hat Church weitaus bessere Ideen. Er sagt voraus, dass wir in einem Jahrzehnt oder länger "Spiegelleben" haben werden, Organismen, deren Proteine ​​sich in entgegengesetzten Konfigurationen falten, wodurch sie immun gegen Viren, Raubtiere und Enzyme sind, die sie nicht erkennen könnten. Zu den Anwendungen könnten eventuell biologisch abbaubare Baumwolle, Seide, Holz und Seile gehören, die die Verdauungsenzyme von Pilzen, Würmern, Insekten und Bakterien unwirksam machen würden. Vielleicht werden wir eines Tages spiegelbildliche pflanzliche oder tierische Zellen haben, die gegen alle bekannten Krankheitserreger vollständig resistent wären.

"Es ist irgendwie lustig. Wir wollen angeblich das Leben machen und wir wissen nicht, was das Leben ist. "

Für Church und andere wie ihn sind diese Wunder der Biotechnik der wahre Gewinn der synthetischen Biologie und der Suche nach künstlichem Leben. Und sobald die Vorteile des synthetischen Lebens offensichtlich werden, vermutet die Kirche, dass die Menschen aufhören werden, sich Sorgen zu machen, dass Wissenschaftler „Gott spielen“ - eine verbreitete Kritik. "Die meisten Dinge, über die sich die Menschen zu einem bestimmten Zeitpunkt Sorgen machten - wie Eisenbahn, Kühlung und In-vitro-Düngung - durchlaufen einen sehr kurzen Zeitraum, in dem sie inakzeptabel sind, normalerweise, wenn sie technisch nicht machbar sind. Es ist leicht, sich gegen etwas zu stellen, das nicht funktioniert “, sagt Church. "In dem Moment, in dem es funktioniert und sich als sicher und effektiv herausstellt, ist es plötzlich schwer zu widerstehen."

Aber auch die wunderbarsten Kreationen würden Fragen offen lassen, sagt Adamala. Durch die Zusammenarbeit, so sagt sie voraus, werden Wissenschaftler bald herausfinden, wie sich selbst replizierende, sich entwickelnde biochemische Systeme synthetisieren lassen, die in der Lage sind, ihren eigenen Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sich die Community in naher Zukunft darüber einig wird, ob dies als Leben zu qualifizieren ist oder was es überhaupt bedeutet, am Leben zu sein. Wenn eine Zelle keinen Metabolismus hat, sich aber selbst replizieren kann, macht sie den Grad? Wenn es sich an die Umgebung anpasst, sich aber nicht reproduzieren kann, ist es das Leben oder etwas anderes? "Wir haben diese Diskussionen die ganze Zeit", sagt sie. "Es ist irgendwie lustig. Wir wollen angeblich das Leben machen und wir wissen nicht, was das Leben ist. "

Neben den tiefgreifenden Fragen gibt es auch praktische Fragen wie den hohen Preis. Die Synthese von DNA kostet immer noch etwa einen Dollar pro Basenpaar, sagt Venter. Das ergibt allein für die 531.560 Nukleotidpaare im 473-Gen-Bakterium seines Teams mehr als eine halbe Million Dollar. "Die Synthesekosten müssen nur um eine Größenordnung gesenkt werden, damit die Leute die Experimente durchführen können", sagt Venter. "Anstatt eines zu entwerfen, es zu bauen, es zu testen und herauszufinden, was schief gelaufen ist, müssen wir es multiplexen können."

Venter fügt hinzu, dass die Erklärung des Erfolgs letztendlich davon abhängen könnte, die Erwartungen abzuschwächen. So wie Bäcker beim Backen von Grund auf Zutaten wie Mehl und Zucker verwenden, verlassen sich manche synthetische Biologen beim Aufbau neuer Zellen wahrscheinlich immer auf vorhandene Zellteile und biologische Moleküle wie Membranen und Nukleotide. Sogar diejenigen, die sich für die nächste Stufe entscheiden, werden vorhandene Moleküle verwenden - indem sie beispielsweise vorhandene Aminosäuren chemisch modifizieren. "All dieses Zeug hat ein gewisses Maß an Künstlichkeit", sagt Venter. "Alles betrügt bis zu einem gewissen Grad."

Fürs Erste, schlägt Dorit vor, erfordert das Streben nach künstlichem Leben - um sich überhaupt vorzustellen, dass es möglich ist - eine gesunde Dosis Arroganz und eine gleiche Dosis Bescheidenheit. "Es gibt viele Dinge, die wir immer noch nicht verstehen, wie Organismen das Überleben managen", sagt er. Diese Suche hat wesentliche Geheimnisse in den Mittelpunkt gerückt: Wie koordiniert eine DNA-Kette die Reproduktion, Evolution und den Tod einer lebenden Zelle? Und wo liegen die Grenzen der Biologie, um die Bedeutung von allem zu verstehen? Es ist unwahrscheinlich, dass bald Antworten auf diese Fragen vorliegen. Und in gewisser Weise, sagt Dorit, ist er froh. Es wäre ein wenig enttäuschend, wenn es sich als einfach herausstellen würde, ein künstliches Leben zu schaffen.