Synthetisches Leben: Von Grund auf neu

Warum die Ausstattung von Organismen mit unnatürlichen Funktionen ein besseres Verständnis von Biologie, Designerproteinen und etwas Seelensuche erfordert.

Öltröpfchen in Wasser, ein gängiger Ansatz zur Erzeugung von Lipid-eingeschlossenen „Protozellen“. Fotografie durch A_Different_Perspective Pixabay. Siehe: https://www.nature.com/articles/ncomms6305

Die Synthetische Biologie ist eine wissenschaftliche Disziplin, die darauf abzielt, lebende Organismen rational zu konstruieren, typischerweise mit gentechnischen Ansätzen (1). Francois Jacob und Jacques Monod schlugen 1961 erstmals vor, dass genetische Regulationsschaltungen das zelluläre Verhalten steuern (2). Bis zum Jahr 2000 konstruierten Wissenschaftler erfolgreich unnatürliche genetische Schaltkreise, implantierten sie in Mikroorganismen und die Schaltkreise erfüllten ihre spezifizierte Funktion. Zu den ersten Beispielen gehört der genetische Kippschalter (3), bei dem zwei Promotoren die Expression von sich gegenseitig hemmenden Repressoren steuern und die Zelle zwischen dem stationären Zustand und dem im selben Jahr entstandenen Repressilator (4) hin- und herschalten lassen.

Genetische Schaltkreise sind von elektrischen Schaltkreisen inspiriert und von Geralt Pixabay nach ähnlichen Prinzipien aufgebaut.

Die Anwendung technischer Methoden auf die rationale Veränderung von Organismen ist heute ein beständiges Ziel der synthetischen Biologie. Die meisten synthetischen Biologen beschreiben Biotechnik als eine Hierarchie, in der Teile (Gene, DNA) zum Aufbau von Geräten (viele Gene zusammen) verwendet werden, die wiederum zum Aufbau von Systemen (eine Reihe von vielen Geräten) verwendet werden können (1). Die Herausforderung bei der Umwandlung der synthetischen Biologie in eine echte technische Disziplin besteht darin, dass die Teile, die die Grundbausteine ​​von Konstruktionen höherer Ordnung darstellen, durch die Genauigkeit ihrer Charakterisierung grundlegend eingeschränkt sind. Dies ist in allen gängigen Ingenieurdisziplinen der Fall. In der Elektrotechnik beispielsweise wurden die Basiskomponenten (Transistoren, Widerstände, Drähte usw.) so gut charakterisiert, dass Kinder sie verwenden können, und die resultierenden Schaltungen verhalten sich wie erwartet. Sobald alle „Teile“ standardisiert sind, können synthetische Biologen einzelne DNA-Bausteine ​​verwenden, um vollständig synthetische Lebensformen von Grund auf zu konstruieren.

Büste des Aristoteles. Fotografie durch morhamedufmg Pixabay.

Die Idee des synthetischen Lebens existiert seit Jahrtausenden. Aristoteles schrieb im 4. Jahrhundert v. Chr. Über die spontane Generation in seinem Buch „Über die Generation der Tiere“, in dem behauptet wurde, dass das verfallende Fleisch völlig neue Lebensformen hervorbringe. Im 20. und 21. Jahrhundert traten ernsthafte ethische Bedenken in Bezug auf künstliche Lebensformen auf. Im Jahr 2005 wurde das Bakteriophagen-T7-Virus erfolgreich „refaktorisiert“, indem 11.515 Basenpaare der DNA durch eine synthetische Form ersetzt wurden und die Lebensfähigkeit der Viruspartikel erhalten blieb (5). Zwei Jahre später gelang es J. Craig Venter, Chromosomen zwischen Mikroorganismen zu transplantieren (6) und im nächsten Jahr ein vollständiges künstliches Genom auf der Basis von M. genitalium zu veröffentlichen (7). Im Jahr 2010 wurden die Komponenten zusammengesetzt und ein M. genitalium mit einem „synthetischen“ Genom erfolgreich konstruiert (8).

Ein laufendes internationales Projekt namens Synthetic Yeast 2.0 versucht, den ersten eukaryotischen Organismus mit einem chemisch synthetisierten Genom zu konstruieren (9). Als bislang ehrgeizigstes Beispiel für die Konstruktion von synthetischen Genomen konstruiert jedes Mitgliedsinstitut eines der 16 Hefechromosomen und untersucht dessen Fehler. In den nächsten Jahren wollen sie eine vollsynthetische Hefe herstellen, die alle diese chemisch synthetisierten Chromosomen enthält.

Im vergangenen Jahr veröffentlichte die Romesberg-Gruppe am Scripps Research Institute die Schaffung einer "halbsynthetischen Lebensform", die den ersten Nachweis für einen Mikroorganismus mit synthetischen Nukleotiden in seinem Genom lieferte (genannt X und Y), dessen Code lautete erfolgreich transkribiert und translatiert, wodurch die Aminosäuren, die lebenden Zellen zur Verfügung stehen, von 20 auf 172 erweitert werden (10). Romesberg gab seine Ergebnisse sorgfältig an die Medien weiter und erklärte: "Ich würde dies nicht als eine neue Lebensform bezeichnen - aber es ist das Nächste, was jemals jemand gemacht hat" (11).

Die derzeit größte Anstrengung, etwas zu konstruieren, das wirklich als synthetisches Leben bezeichnet werden kann, ist das Build-a-Cell-Konsortium, das darauf abzielt, synthetische Zellen aus modularen Komponenten von Grund auf zu bauen. Theoretisch könnte eine Zelle, die über alle Gene verfügt, die für den Grundstoffwechsel, die Zellteilung, die Signalübertragung und einige andere Aufgaben erforderlich sind, als lebendig betrachtet und vollständig aus gut charakterisierten Bausteinen aufgebaut werden.

Aber wie sieht es mit der Entwicklung von Organismen aus, die völlig neue Funktionen besitzen - solche, die in der Natur nirgendwo zu finden sind? Wie können Synthesebiologen über die nur teilweise erreichte Umverdrahtung bestehender Komponenten hinaus in das Reich der Unbekannten vordringen? Es gibt viele Herausforderungen, die diesen Übergang einschränken, aber es wird irgendwann passieren. Eine künstliche Lebensform, die nur lose auf einem vorhandenen Organismus basiert, kann nur konstruiert werden, wenn ihr Entwickler ein vollständiges Verständnis der Funktionsweise des Lebens besitzt und vorhersagen kann, wie sich jede Komponente in der Zelle verhält. Da Proteine ​​eines der wichtigsten Mittel sind, mit denen eine Zelle ihre Funktionen erfüllt, liegt es nahe, dass ein verbessertes Verständnis der Proteinfunktion und die Fähigkeit, Proteine ​​mit völlig neuen Funktionen zu entwerfen, diesen Übergang erleichtern könnten.

Es gibt drei Hauptherausforderungen bei der Entwicklung synthetischer Lebensformen mit neuen Funktionen. Obwohl die hier aufgeführten Beispiele in keiner Weise erschöpfend sind, umfassen sie die wissenschaftlichen, technologischen und ethischen Aspekte.

Wissenschaftliche Herausforderung: Unbekannte Proteinfunktionen

Die Synthetische Biologie ist eine Disziplin, die auf parallelen Fortschritten in den Bereichen Genomik, Molekularbiologie und Rechnen beruht. Damit Organismen auf vorhersehbare Weise konstruiert werden können, müssen ihre Feinheiten, Unterschiede und vor allem die Funktionen der einzelnen Komponenten genau bekannt sein, bevor sie nach Belieben neu angeordnet und verpflanzt werden können. Das ist die wissenschaftliche Herausforderung.

Um ein überzeugendes Beispiel für die bestehenden, offensichtlichen Lücken in der Wissenschaft zu finden, die geschlossen werden müssen, bevor ein neues Leben geschaffen werden kann, muss man nur nach den Bemühungen suchen, ein minimales Genom zu schaffen, das 2016 fertiggestellt wurde und in dem das Genom von Mycoplasma mycoides bestand reduziert auf nur 473 Gene (12). Es ist vielleicht überraschend, dass dieser Anstrengung 2012 die Schaffung eines Ganzzellmodells vorausging, das auf dem einfachen Organismus Mycoplasma genitalium von Markus Coverts Gruppe in Stanford (13) basiert. Trotz der Einfachheit dieser Organismen (das native Genital hat nur 525 Gene) und der intensiven wissenschaftlichen Bemühungen, sie zu verstehen, haben 149 essentielle Gene in M. mycoides eine unbekannte Funktion (12).

Eine grundlegende Einschränkung bei der Konstruktion synthetischer Lebensformen besteht darin, dass die wichtigste Methode zur Durchführung biologischer Forschung in der Vergangenheit darin bestand, Gene unabhängig voneinander zu isolieren oder auszuschalten und dann ihre Funktion innerhalb der Zelle zu identifizieren. Dieser Ansatz ist nützlich, kann jedoch fehlerhaft sein, um alle komplexen Funktionen zu untersuchen, an denen er beteiligt ist, da „… eine einzelne Komponente (wie ein Gen) selten eine bestimmte biologische Funktion oder Krankheit spezifisch kontrolliert und umgekehrt eine bestimmte Komponente Einfluss haben kann viele verschiedene Funktionen “(1). Um zu verstehen, wie Komponenten innerhalb des zellulären Milieus ihre Funktionen erfüllen, sind kanonische biochemische Ansätze zeitaufwändig und mühsam, sie können jedoch eine Notwendigkeit bleiben. Es wurden jedoch auch andere Ansätze auf Systemebene verwendet, um die Funktion anhand der Sequenz vorherzusagen.

In den Monaten, die auf die Veröffentlichung einer lebensfähigen Minimalzelle durch Venter folgten, sagten Antoine Danchin und Gang Fang einige der unbekannten Genfunktionen mittels Evolutionsanalyse voraus und untersuchten die Literatur, um wesentliche Gene zu bestimmen, die grundlegende Funktionen in verwandten Bakterienkladen erfüllen, die nicht erwähnt wurden als eines der bekannten Gene im Minimalgenom mycoides (14). Unter Verwendung dieser evolutionären Beziehungen schlugen Danchin und Fang Identitäten für 32 der 149 unbekannten Gene vor (14). Die Minimalzelle (und ihre Vorgänger) sind jedoch nicht die einzigen relativ einfachen Organismen, die ausgiebig untersucht wurden, und evolutionäre Beziehungen sind nicht die einzige Möglichkeit, die Proteinfunktion zu untersuchen. Hefeforscher haben lange nach neuen Methoden gesucht, um die Funktion unbekannter Gene zu bestimmen. Im Jahr 2007 gab es in Hefe über 1000 nicht charakterisierte Gene (15).

Es ist eine Sache, Homologie- oder Evolutionsanalysen an großen Datensätzen durchzuführen, eine andere, das betreffende Protein zu isolieren und enzymatische Studien durchzuführen oder das Gen in vivo zu löschen, um seine Wirkungen zu untersuchen. Mit essentiellen Genen ist es schwieriger, Ergebnisse zu erhalten, aber es gibt immer noch Optionen, um Proteinfunktionen zu untersuchen, wie Fluorophor-Tracking, Immunpräzipitationen, Immunblotting und pharmakologische Inhibitoren. Obwohl zeitaufwändig und mühsam, ist ein biochemischer Ansatz, der auf bewährten Werkzeugen basiert, immer noch die beste Methode zur Funktionsbestimmung.

Sobald die Funktion jeder Komponente bestimmt ist, besteht der nächste Schritt darin, Ansätze auf Systemebene zu verwenden, um zu verstehen, wie sie im größeren zellularen Kontext funktionieren. Dies ist die Aufgabe von Systembiologen, die „verstehen wollen, wie alle einzelnen Komponenten eines biologischen Systems zeitlich und räumlich zusammenwirken, um die Funktionsweise des Systems zu bestimmen. Es ermöglicht Einblicke in die große Menge an Daten aus der Molekularbiologie und der Genomforschung, die mit dem Verständnis der Physiologie einhergehen, um die komplexe Funktion von Zellen, Organen und ganzen Organismen zu modellieren. “(16) Heutzutage behindert ein begrenztes Verständnis der Proteinfunktion die Konstruktion des synthetischen Lebens erheblich.

Technologische Herausforderung: Vorhersage der Funktion aus der Sequenz

In Zukunft wäre es nützlich, Zellen zu schaffen, die einen maßgeschneiderten Zweck erfüllen, selbst wenn dieser Zweck eine enzymatische Funktion oder ein Verhalten erfordert, das in der Natur nirgendwo anzutreffen ist. Mit den Fortschritten bei der Vorhersage der Proteinstruktur und -funktion anhand der DNA-Sequenz wird die „Modularität“ von Teilen, die eines Tages zum Aufbau biologischer Organismen von Grund auf verwendet werden könnten, drastisch erweitert. Während einige Forschungsgruppen auf die Schaffung von Proteinen mit völlig neuen Funktionen hinarbeiten, einschließlich der Gruppe von Nobelpreisträger Frances Arnold (2018), sind ein besseres Verständnis der Proteinfunktion und Werkzeuge zur zuverlässigen Konstruktion der Proteinstruktur dringend erforderlich. Eine große technologische Herausforderung im Zusammenhang mit der Schaffung völlig „unnatürlicher“ Organismen ist: Mit welchen Methoden können Proteine ​​mit neuen Funktionen hergestellt werden, und auf welche Weise sind wir eingeschränkt?

Das Problem der Proteinfaltung wurde von vielen Gruppen angegangen, von denen vielleicht keine so berühmt ist wie David Baker von der University of Washington. Baker's Group zeichnet sich (teilweise) durch die Entwicklung von ROSETTA und ROSETTA @ Home aus, einem Programm zur Vorhersage der Proteinstruktur und dessen Version für den Heimgebrauch, in der Menschen an ihren PCs daran arbeiten können, die niedrigste Energiestruktur für eine Vielzahl von Proteinen zu lösen (17). Baker hat auch ein Spin-out-Unternehmen namens Arzeda gegründet, das strukturelle Vorhersageplattformen zur Herstellung von Enzymen mit neuen Funktionen verwendet, die für Umwelt-, Diagnose- und Therapieanwendungen verwendet werden können (20).

Computerprogramme, die von der Baker-Gruppe und anderen entwickelt wurden, wurden verwendet, um eine völlig einzigartige Proteinfalte zu entwerfen, die in der Natur nicht zu finden ist (18), und um Protein-Protein-Grenzflächen für Anwendungen im therapeutischen Design zu entwerfen (19). Eine aktuelle Einschränkung beim Entwurf völlig neuer biologischer Strukturen ist jedoch die Rechenleistung. Ab-initio-Simulationen untersuchen und testen typischerweise viele konformative Proteinzustände, um Strukturen mit der niedrigsten freien Energie zu identifizieren (20, 21). Im Jahr 2009 konnte ein moderner Supercomputer ein Protein mit 50 Resten Atom für Atom für 1 Millisekunde simulieren. Diese Fähigkeit wurde seitdem von Personalcomputern (22, 23) übertroffen.

Leider ist die Vorhersage der Proteinfunktion aus einer DNA-Sequenz weitaus komplexer als die Vorhersage der Proteinstruktur. Die Fähigkeit, Proteinfunktionen vorherzusagen, könnte das schnelle, rationale Design von Proteinen mit völlig neuen Aktivitäten ermöglichen. Frances Arnolds Gruppe am California Institute of Technology geht dieses Problem an, indem sie „den leistungsstärksten biologischen Entwicklungsprozess, die Evolution, einsetzt, um vorhandene Enzyme zu optimieren und neue zu erfinden und so unsere tiefe Unkenntnis darüber zu umgehen, wie Sequenzen funktionieren.“ Die Evolution ist so großartig Werkzeug zur Entwicklung neuer Proteine, zum Teil, weil die Mutationen, die zur Implementierung einer nützlichen neuen Funktion erforderlich sind, oft nicht intuitiv sind. Obwohl die meisten Aminosäuren, die für die Substratspezifität oder -selektivität verantwortlich sind, im aktiven Zentrum gefunden werden, können Änderungen an Aminosäuren, die vom aktiven Zentrum entfernt sind, auch zu drastisch erhöhten katalytischen Aktivitäten führen (24).

Eine Kombination von Ansätzen, die Berechnungen, Design und Evolution umfassen, wird höchstwahrscheinlich dazu führen, dass immer komplexere Proteine ​​durch Design erzeugt werden.

Gesellschaftliche und ethische Herausforderung

Die Ethik der synthetischen Biologie ist seit den ersten Berichten über genetische Schaltkreise, die in den frühen 2000er Jahren veröffentlicht wurden, heftig umstritten. Der Bericht über ein chemisch synthetisiertes Genom im Jahr 2010 veranlasste die Obama-Regierung, eine Bioethikkommission einzurichten, die sich mit neuen Fähigkeiten in der synthetischen Biologie befasst ( 25). Während dieser Initiative behaupteten Ethiker, dass das Leben selbst seinen Sonderstatus verlieren könnte, wenn es Wissenschaftlern gelingen würde, den Organismus zu schaffen (26). Mit anderen Worten, die Menschen würden anfangen, das Leben als eine Reihe komplizierter biochemischer Reaktionen zu betrachten, die in einem Labor repliziert werden können, und die Schaffung eines reduktionistischen, synthetischen Organismus würde diesen besonderen Status untergraben.

Das reduktionistische moralische Argument gegen die Schaffung eines synthetischen Lebens hängt auch mit dem methodischen Reduktionismus zusammen, einer Strategie, die die Ingenieursdisziplinen genutzt haben, um Komponenten systematisch zu reduzieren, um zu verstehen, wie das Ganze aufgebaut ist. Dies ist der Fall bei der Standardisierung in der synthetischen Biologie, bei der jede Komponente einzeln charakterisiert wird und dennoch keine ethische Gegenreaktion zu einer systematischen biologischen Standardisierung besteht. Dies sind jedoch dieselben reduktionistischen Prinzipien, die die letztendliche Schaffung einer synthetischen Lebensform ermöglichen. Schließlich gibt es keine Hinweise darauf, dass frühere Anstrengungen zum Aufbau von semisynthetischem Leben, die weiter oben in diesem Artikel erwähnt wurden, und Organismen mit synthetischen Genomen den Sonderstatus, den Menschen lebenden Organismen trotz der Aufmerksamkeit der Medien zuschreiben, in irgendeiner Weise beeinträchtigt haben.

Dennoch gibt es wichtige ethische Punkte zu beachten, bevor synthetische Lebensformen aufgebaut werden. Besonders aufschlussreich sind die Leitlinien von Weitze und Pühler (27). Haben Wissenschaftler alle relevanten Kenntnisse und ein umfassendes Verständnis der betreffenden Technologie? Nur weil Wissenschaftler etwas bauen können, heißt das nicht, dass sie es sollten. Dementsprechend sollten Wissenschaftler darauf hinarbeiten, die im Organismus vorhandenen biologischen Prinzipien (soweit möglich!) Vollständig zu verstehen, damit potenzielle Probleme verhindert oder gemildert werden können.

Die möglichen Nachteile eines neuartigen synthetischen Organismus müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Menschen setzen Technologie häufig auf unerwartete Weise ein. Daher ist es wichtig, dass mögliche Anwendungen des synthetischen Organismus proaktiv diskutiert werden. Behördliche Vorschriften und ethische Erwägungen sollten lange vor Baubeginn berücksichtigt werden.

Der Rahmen für verantwortungsvolle Forschung und Innovation, der vom EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council, der wichtigsten britischen Finanzierungsagentur für Ingenieur- und Physikwissenschaften) entwickelt wurde, sieht vor, dass synthetische Biologie unter Verwendung von AREA (Anticipate, Reflect) erforscht wird , Engage and Act (28). Die Forscher sollten die Auswirkungen ihres Forschungsprojekts vollständig untersuchen, bevor sie damit beginnen, über die Zwecke der Durchführung der Forschung nachdenken, sich mit Menschen außerhalb ihrer eigenen Disziplin, einschließlich Bioethikern, auseinandersetzen und dann auf diese Prozesse einwirken und die Richtung ihrer Forschung bestimmen entsprechend projektieren.

In den kommenden Jahrzehnten werden Zellen mit völlig einzigartigen, unnatürlichen Funktionen entworfen und gebaut. Fortschritte, die heute gemacht werden, sind ein Sprungbrett in Richtung dieses größeren Ziels und können eine neue Ära der synthetischen Biologie einleiten, in der Organismen ad hoc dazu gebracht werden, einige der dringendsten Probleme der Welt anzugehen.

Verweise

1. "Synthetische Biologie: Umfang, Anwendungen und Implikationen." Die Royal Academy of Engineering. Mai 2009. Abgerufen am 2. Dezember 2017.

2. Jacob F und Monod J. "Genetische Regulationsmechanismen bei der Synthese von Proteinen." Journal of Molecular Biology 3, 318–356 (1961).

3. Gardner TS, Cantor CR und Collins JJ. „Konstruktion eines genetischen Kippschalters in Escherichia coli.“ Nature 403, 339–342 (2000).

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5. Chan LY, Kosuri S und Endy D. "Refactoring Bakteriophage T7". Mol Syst Biol 1 (2005).

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8. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C. et al. „Schaffung einer Bakterienzelle, die von einem chemisch synthetisierten Genom kontrolliert wird.“ Science 329, 52–6 (2010).

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11. „Wissenschaftler schaffen einen ersten halbsynthetischen Organismus, der unnatürliche Informationen speichert und abruft.“ Die Pressemitteilung des Scripps Research Institute. 29. November 2017. Zugriff am 2. Dezember 2017.

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28. „Rahmen für verantwortungsvolle Innovation“. Forschungsrat für Ingenieur- und Physikwissenschaften.