Die Bemühungen, die Froschentwicklung voranzutreiben und neue Arten von Leben aufzubauen, erweisen sich als komplexer als das Lesen und Schreiben von DNA. Illustration von Daniel Zender

Im Wettlauf um das Leben von Grund auf neu

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

Im Jahr 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 Genom, das kleiner war als das jeder in der Natur vorkommenden Lebensform. Es wurde als Meilenstein gefeiert und läutete eine neue Ära ein, in der Wissenschaftler den genetischen Code verwenden würden, um Designer-Lebensformen zu schaffen. Das synthetische Leben, proklamierte 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 Gene weg, bis die Zellen nicht mehr funktionieren konnten.

Die Leistung des JCVI war der Höhepunkt einer „heldenhaften 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 für das Leben essentiell sind. Das Ergebnis, eine Art minimal lebensfähige Lebensform, ließ viele wichtige Fragen unbeantwortet. Unter ihnen: Niemand weiß, was 149 der 473 essentiellen Gene tun. Das Team von Venter im Jahr 2016, so Endy und andere, war wie das Kopieren eines Romans von Hand. Der Prozess bietet wichtige Hinweise auf die Struktur einer Erzählung, aber es ist nicht dasselbe wie zu wissen, wie man ein völlig neues Buch schreibt.

In den Köpfen von Puristen 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 bewirken.

Wenn es Ihr Ziel ist, neuartige Lebensformen von Grund auf neu zu erstellen, müssen Sie mehr tun, als nur das zu reproduzieren, was bereits existiert. Das ist im Grunde nur blinde Nachahmung, schlägt Kate Adamala vor, eine Biochemikerin an der Universität von 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 atemberaubender Möglichkeiten. Durch die Optimierung des Genoms von Mikroben könnten Bioingenieure virussichere Pflanzen, biologisch abbaubare Computer, die in unser Gehirn implantiert werden sollen, oder Zellen produzieren, die dem Marsboden Nährstoffe hinzufügen und den Roten Planeten bewohnbar machen könnten. Diese Möglichkeiten sind so beeindruckend, dass jeder neue Schritt sowohl Hoffnungen als auch Bedenken hinsichtlich einer auf Bestellung gefertigten Welt voller technischer 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 gesamten genetischen Code schreiben - es ist eine andere Ebene."

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

Da es so viele verschiedene Definitionen von Erfolg gibt, reichen die Schätzungen für das wahre künstliche Leben von fünf Jahren über 1.000 bis nie. "In der Gemeinde gibt es Unklarheiten darüber, was möglich ist", sagt Endy. Die Suche nach künstlichem Leben hängt auch mit der grundlegendsten Frage von allen zusammen: Was ist Leben überhaupt?

Ihr sogenanntes Leben

Für einige Wissenschaftler wird Synbio künstliches Leben geschaffen haben, wenn es DNA in großem Maßstab in neuen Kombinationen anordnen kann - indem Hunderte von Genen gleichzeitig addiert oder subtrahiert werden, anstatt die Einzelgen-Änderungen, die jetzt mit der Gentechnik möglich sind. Diese Manipulationen werden die Grenzen des Lebens verschieben und neue Formen und Funktionen schaffen. Diese Idee des künstlichen Lebens - neuartige und funktionelle Organismen mit Genkombinationen, die es noch nie gegeben hat - wird häufig durch praktische technische Ziele motiviert: Dinge wie Zellen aufzubauen, die Giftmüll beseitigen, Medikamente abgeben oder Antibiotikaresistenzen bekämpfen können.

Für andere ist das ultimative Ziel elementarer: die Werkzeuge der synthetischen Biologie zu nutzen, um die Ursprünge des Lebens kennenzulernen oder herauszufinden, worauf bei der Suche nach Leben auf anderen Planeten zu achten ist. Diese Definition des künstlichen Lebens erfordert, dass Wissenschaftler alle Teile herstellen und sie mit einem viel tieferen Verständnis der Funktionsweise der einzelnen Komponenten und ihrer Interaktion zusammensetzen.

Auch die Methoden unterscheiden sich. Das Venter-Team verfolgte einen Top-Down-Ansatz und zerlegte 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 Arbeitszelle zu entzünden. 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.

Die technisch herausfordernde Aufgabe, ein gesamtes Hefegenom zu synthetisieren, würde neue Einblicke in die Evolution bieten und potenzielle Anwendungen in der Landwirtschaft und der Ethanolproduktion bieten. Bei Projekten wie diesen müssen sich Wissenschaftler jedoch mit einigen der tief unbeantworteten Fragen der Biologie und Genetik auseinandersetzen.

Wie das JCVI-Experiment zeigt, sind beispielsweise 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 ein Rätsel. Ein einfacher Stoffwechselprozess kann fünf Schritte erfordern, 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 Weges 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 zur 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 gesamten 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 Wissenschaftler in der Lage sein würden, Zellen nach Belieben neu zu programmieren.

Zu diesem Zweck hat das JCVI-Team die Biologie essentieller Gene und ihre Abhängigkeit voneinander untersucht. Ein Gen, das auf den ersten Blick nicht notwendig schien, erwies sich als wesentlich 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 haben einen sehr langen Weg zurückgelegt", sagt er.

In gewisser Hinsicht ist dieser Fortschritt jedoch fehlgeschlagen. Anstatt zu klären, was Leben ist und wie man es macht, hat die neue Ära des Bioengineering Verwirrung darüber ausgelöst, was als Leben zu qualifizieren ist und was der Unterschied zwischen real und künstlich ist. „Wir haben nicht nur die vorherigen Fragen nicht beantwortet, sondern auch eine ganze 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 das wirkliche Leben oder nur eine Fälschung?

Die Idee, dass Menschen eines Tages Leben von Grund auf neu erschaffen könnten, stammt zumindest aus den frühen 1910er Jahren, als der französische Biophysiker Stéphane-Armand Nicolas Leduc angeblich als erster die Worte „synthetische Biologie“ verwendete. Leduc wurde von einem Kollegen inspiriert, der anorganische Materialien zur Synthese von Harnstoff verwendet hatte, einem organischen Molekül, das im Urin von Säugetieren gefunden wurde. Heutzutage ist die Synthese von Harnstoff eine Chemieübung für Studenten. Damals war es eine dramatische Leistung. Zu dieser Zeit schien es unmöglich, künstliche Versionen der von lebenden Zellen produzierten Moleküle herzustellen, sagt Floyd Romesberg, chemischer Biologe am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien. „Einige Menschen glaubten, sie brauchten einen Funken Leben, einen Gott oder eine Art Lebenskraft. Dann hat ein Chemiker einen gemacht “, sagt Romesberg. "Diese Art hat die Grenze zwischen unbelebt und belebt zerstört."

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 nicht nur den Code lesen, sondern DNA verwenden konnten, um Zellen nach Belieben neu zu programmieren, genau wie Biologen und Chemiker in früheren Generationen lernte schließlich, organische Moleküle zu synthetisieren, die in der Natur nicht vorkommen.

Ein Teil dieser Neuprogrammierung findet 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 neuartigen Formen kodieren kann, 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 als Krebsmedikament mit weniger Nebenwirkungen vielversprechend, sagt Romesberg, dessen Startup-Unternehmen Synthorx kürzlich einen Börsengang eingereicht hat, um 100 Millionen US-Dollar für die Herstellung des Medikaments zu erhalten.

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 umfassen, die hoher Hitze standhalten, oder künstlicher Ersatz für fossile Brennstoffe.

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

Aber andere Gruppen tauchen direkt in die intensive (und möglicherweise vergebliche) Herausforderung ein, das Leben von Grund auf neu aufzubauen. Eine Open-Source-Zusammenarbeit namens Build-A-Cell zielt darauf ab, eine völlig neue Zelle zu konstruieren, die sich selbst reproduzieren kann und die Wissenschaftler so gut verstehen können, dass sie genau erklären, was jedes Gen tut. Diese Zelle wird wahrscheinlich zunächst ein einfacher Prokaryot wie ein Bakterium sein, aber es gibt keine Grenzen für das, was Wissenschaftler versuchen können. "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 „Liebesgemeinschaft“, 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 Aufbau einer synthetischen Zelle. Bisher haben Forscher Fortschritte bei der Synthese einzelner Bestandteile von Zellen, einschließlich Ribosomen und Membranen, erzielt - frühe Schritte in Richtung des Endziels der Gruppe, aus nicht lebender Materie Leben zu machen. Was noch fehlt, sagt Adamala, ist eine Möglichkeit, all diese Subsysteme zu einem Ganzen zu kombinieren.

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 ihrer Meinung nach die Medizin und die Landwirtschaft revolutionieren und Zelllinien mit Immunität gegen Krebs und Viren oder Pflanzen, die gegen Schädlinge resistent sind, schaffen. Bei einem Treffen im Mai diskutierten GP-Write-Mitarbeiter über laufende Projekte, beispielsweise über die Bemühungen, diese widerstandsfähigen Zellen durch Rekodierung von DNA-Abschnitten zu erzeugen, auf die sich Viren zur Replikation in Zellen stützen.

Durch den Ersatz von etwa einem Prozent des Genoms in einer menschlichen Zelllinie glauben Church und sein Kollege Jef Boeke von der NYU Langone Health, dass sie eine Plattform für die Herstellung von Impfstoffen und Medikamenten schaffen können, die gegen die Kontamination durch Viren und Prionen, diese mysteriösen infektiösen Proteine, resistent sind. Sie wollen auch Schweine entwickeln, um sie immun gegen Krankheiten zu machen und virusresistente Organe zu züchten, die für die Transplantation in Menschen extrem sicher sind. Technische Schweinetransplantationsversuche an Primaten haben bereits begonnen, aber Church schätzt, dass virusresistente Schweinezellen drei bis zehn Jahre entfernt sind. Er und seine Kollegen haben bereits einen E. coli-Stamm konstruiert, der 321 Veränderungen in den Bakterien vornimmt, die ihm helfen, Viren zu widerstehen. Dennoch ist es ein großer Sprung von dort zu den Tausenden von Änderungen, die erforderlich wären, um eine menschliche Zelle gegen Viren zu schützen.

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

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

Für Church und andere wie ihn sind diese Wunder der Biotechnik die wahre Auszahlung der synthetischen Biologie und die 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 der einen oder anderen Zeit Sorgen machten - wie Eisenbahnen, Kühlung und In-vitro-Fertilisation - durchlaufen einen sehr kurzen Zeitraum, in dem sie inakzeptabel sind, normalerweise wenn sie technisch nicht realisierbar 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 selbst die wunderbarsten Kreationen würden offene Fragen lassen, sagt Adamala. Durch die Zusammenarbeit, so prognostiziert sie, werden Wissenschaftler bald herausfinden, wie sie sich selbst replizierende, sich entwickelnde biochemische Systeme synthetisieren können, die in der Lage sind, ihren eigenen Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sich die Gemeinde bald darüber einig wird, ob dies als Leben qualifiziert ist - oder was es bedeutet, am Leben zu sein. Wenn eine Zelle keinen Stoffwechsel hat, sich aber selbst replizieren kann, macht sie dann 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 Leben machen, und wir wissen nicht, was Leben ist. “

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

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

Fürs Erste, so Dorit, 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, viele Dinge, die wir immer noch nicht verstehen, wie Organismen das Überleben verwalten", sagt er. Diese Suche hat wesentliche Rätsel in den Fokus 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 kommen. Und in gewisser Weise, sagt Dorit, ist er froh. Es wäre ein wenig enttäuschend, wenn sich herausstellen würde, dass es einfach ist, künstliches Leben zu schaffen.