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Die Geburt einer neuen Technikwissenschaft

Die Synthetische Biologie ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet. Molekularbiologie, Organische Chemie, Nanobiotechnologie und Informationstechnik arbeiten hier eng zusammen an der Grenze von Biologie und Technik. Ausgehend von der bereits großen Bedeutung der Biotechnologie in der chemischen Industrie könnte es in den nächsten Jahren zu einer regelrechten Biologisierung der Wirtschaft kommen. Und an der Bioökonomie, wie sie sich bereits jetzt abzeichnet, könnte die Synthetische Biologie der Zukunft einen großen Anteil erlangen.

„Synthetische Biologie ist das rationale Design, Modellieren, Konstruieren, Korrigieren und Testen künstlicher lebendiger Systeme.“ Thomas Knight, M.I.T., Cambridge / USA

Ziele

So jung das Feld, so ambitioniert ist ihr Ziel: biologische Systeme schaffen, die in der Natur nicht vorkommen. Genome werden seit den 1970er Jahren geschrieben; mittels Gentechnik lässt sich längst die Basenfolge in der Erbsubstanz von Organismen ändern. So kontrovers Gentechnik in Deutschland noch diskutiert wird – die Synthetische Biologie geht weit darüber hinaus. Sie könnte völlig neue Genome und veränderte genetische Codes erzeugen.

 

Der entscheidende Durchbruch wäre erreicht, wenn es gelingt, einen Organismus mit einem möglichst kleinen Genom zu schaffen. Denn so ließe sich die biologische Komplexität zähmen, die derzeit noch viele Anwendungsmöglichkeiten behindert. Ein solches vereinfachtes aber funktionsfähiges Genom könnten die Bio-Techniker als das Gerüst (Chassis) nutzen, in das sie neue Funktionen nach Wunsch einbauen, ohne dass diese sich gegenseitig stören.

 

Das Ziel sind maßgeschneiderte Bio-Bauteile (beispielsweise Genom-Abschnitte), die bestimmte Aufgaben erfüllen, ohne sich unvorhersehbar gegenseitig zu beeinflussen, und die einen modularen Aufbau von Biofabriken ermöglichen.

Warum die Synthetische Biologie eine Technikwissenschaft ist - und die heutige Biotechnologie (noch) nicht

Warum die Synthetische Biologie eine Technikwissenschaft ist - und die heutige Biotechnologie (noch) nicht

Obwohl sich die Forschung zu Synthetischen Biologie weltweit noch im Grundlagenstadium befindet, handelt es sich um eine Technikwissenschaft. Sven Panke (ETH Zürich) nennt fünf Punkte, die zentral für Technikwissenschaften sind und in der Synthetischen Biologie eine zentrale Rolle spielen, jedoch bislang noch nicht in der Biotechnologie etabliert waren:

  • umfassendes Wissen – derzeit ist beispielsweise die Funktion eines Viertels des Genoms des Kolibakteriums unbekannt
  • Orthogonalität: Die kombinierten Teile sollten voneinander unabhängig sein, damit ein modularer Aufbau möglich ist und keine unvorhergesehenen Nebeneffekte auftreten. In natürlichen Zellen beeinflussen sich molekulare Bausteine nämlich gegenseitig und in vielfältiger Weise.
  • Hierarchische Organisation: Untersysteme müssen in der Synthetischen Biologie auf verschiedenen Abstraktionsebenen betrachtet werden können – dagegen dominiert in der Biotechnologie die molekulare Sichtweise.
  • Standardisierung: Biologische Systeme sind komplex und vielfältig. Der Weg zu maßgeschneiderten Bausteinen der Synthetischen Biologie ist noch weit.
  • Trennung von Design, Entwurf und Herstellung: In der Biotechnologie ist diese Trennung - anders als etwa im Autobau – in der Biotechnologie nicht gegeben. Die Synthetische Biologie hat aber gerade das Ziel, Biowissenschaften und Ingenieurwissenschaften zu vereinen.
Kleine biologische Systeme – große potenzielle Wirkung

Kleine biologische Systeme – große potenzielle Wirkung

Mit Synthetischer Biologie können auf interdisziplinäre Weise mit Methoden wie dem „Code Engineering“ neue funktionelle Systeme geschaffen werden. Diese wiederum ermöglichen neue Biosynthesewege für vielfältige Produkte wie Aminosäuren und Proteine – in besserer Qualität und zu geringeren Kosten.

Schon kleinere Verbesserungen in biotechnologischen Prozessen durch Methoden der Synthetischen Biologie können eine erhebliche wirtschaftliche Relevanz haben. Neue Prozesse könnten neue Rohstoffquellen erschließen. Sie könnten dazu beitragen, Ressourcen zu sparen, den Energieverbrauch  zu senken und Abfälle zu vermeiden.

Tatsächlich traut man der Synthetischen Biologie viel zu – ausgehend von der bereits heute großen Bedeutung der Biotechnologie in der chemischen Industrie. Zum Beispiel Lysin: Von dieser Aminosäure, einem gebräuchlichen Futtermittelzusatz, werden mit klassischen biotechnologischen Verfahren jährlich rund 700.000 Tonnen produziert. Schon kleine Verbesserungen in den biotechnologischen Prozessen können erhebliche wirtschaftliche Relevanz haben.

Warum verfolgt acatech das Thema frühzeitig

Warum verfolgt acatech das Thema frühzeitig

Allzu enthusiastische Visionen einer zukünftigen Synthetischen Biologie haben auch Fallstricke. Es besteht die Gefahr, dass allzu weit gehende Zukunftsszenarien ungewollt auch Fehlvorstellungen und Ängste in der Öffentlichkeit hervorrufen. Der Topos der „Schaffung neuen Lebens“ birgt kulturhistorisch viele Facetten. Umso wichtiger ist, dass – ähnlich wie in der Nanotechnologie – der Diskurs mit der Öffentlichkeit aktiv gesucht wird.

acatech verfolgt das Thema intensiv und langfristig. In gemeinsamen Veranstaltungen mit der Schweizerischen Akademie der Wissenschaften und der DECHEMA bringt acatech die führenden Experten zu dem neuen Forschungsfeld zusammen.

 

Gemeinsam mit der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Leopoldina hat acatech eine viel beachtete Stellungnahme zum Thema erarbeitet. Dass hier frühzeitig der Dialog von Wissenschaft und Öffentlichkeit gesucht wird, um Chancen, Risiken, Konfliktpotenziale und Handlungsfelder rechtzeitig zu benennen, wurde in Medien und Öffentlichkeit sehr positiv aufgenommen.


Gemeinsame Empfehlungen von acatech, DFG und Leopoldina


DFG, acatech und die Leopoldina haben eine gemeinsame Stellungnahme zu den Chancen und Risiken der Synthetischen Biologie erarbeitet. Als Resümee werden Empfehlungen für fünf Handlungsfelder gegeben:

Die Grundlagenforschung weiter stärken

Die Grundlagenforschung weiter stärken

Die Synthetische Biologie stellt eine konsequente Weiterentwicklung bestehender Methoden der molekularen Biologie dar und besitzt ein großes Innovationspotenzial, von dem sowohl die Grundlagenforschung als auch die industrielle Anwendung profitieren werden. Da sich die anwendungsbezogenen Projekte vorwiegend noch auf konzeptionellen Ebenen bewegen, sollte die Grundlagenforschung gestärkt und zukünftig bei der Planung wissenschaftlicher Förderprogramme Berücksichtigung finden.

Synthetische Biologie ins Studium integrieren

Synthetische Biologie ins Studium integrieren

Der Erfolg der Synthetischen Biologie wird maßgeblich davon abhängen, inwieweit es gelingen wird, die verschiedensten Disziplinen in Forschungszentren und Forschungsverbünden zusammenzuführen und Infrastrukturen zu bündeln. Darüber hinaus sollten angehende junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen des Bachelor-, Master- und Graduiertenstudiums mit der Thematik vertraut gemacht und durch Öffnung neuer beruflicher Perspektiven auf das Fachgebiet vorbereitet werden.

Rahmenbedingungen gestalten

Rahmenbedingungen gestalten

Bei der ökonomischen Verwertung der Synthetischen Biologie ist zu beachten, dass diese nicht nur von einer starken, im internationalen Wettbewerb konkurrenzfähigen Forschung abhängt, sondern dass auch die rechtlichen und die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen mitbestimmend für den Erfolg oder Misserfolg dieser neuen Technologie sind.

 

Für eine wirtschaftlich erfolgreiche Verwertung der neuen Technologie sowie für ihre gesellschaftliche Akzeptanz ist eine frühzeitige Begleitforschung zu den Chancen und Risiken sinnvoll. Dabei gilt es, das technische Design sozialverträglich auszuloten, um eine Verstärkung der Chancen und eine Minderung der Risiken herbeizuführen.

 

Die wirtschaftliche Verwertung der im Rahmen der Synthetischen Biologie entwickelten Verfahren und Produkte sollte prinzipiell dem gleichen patentrechtlichen Schutz unterliegen, der auch für die herkömmlichen rekombinanten Genprodukte oder Genfragmente gilt. Minimalzellen und Protozellen sollten urheberrechtlich geschützt werden können (am besten durch Patente), um einen wirtschaftlichen Anreiz für Investitionen in neue Techniken zu geben.

Sicherheitsaspekte offensiv angehen

Sicherheitsaspekte offensiv angehen

Bezüglich der biologischen Sicherheit (Biosafety) und des Missbrauchsrisikos (Biosecurity) sind die bestehenden Gesetze in Deutschland nach dem heutigen Forschungsstand ausreichend. Aufgrund der dynamischen und vielfältigen Entwicklungen wird jedoch empfohlen,

  • die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) zu beauftragen, ein wissenschaftliches Monitoring durchzuführen, um die aktuellen Entwicklungen sachverständig und kritisch zu begleiten und
  • für Freisetzungen und Handhabung in geschlossenen Systemen von Organismen der Synthetischen Biologie, die keinen Referenzorganismus in der Natur haben, klar definierte Kriterien zur Risikoabschätzung festzulegen.


Zur Reduzierung des Missbrauchsrisikos wird vorgeschlagen,

  • eine Kontaktstelle mit einer standardisierten Datenbank zur Überprüfung der DNA-Sequenzen einzurichten, an die sich Unternehmen bei fragwürdigen Bestellungen wenden können und
  • Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Rahmen von Unterweisungen nach der Gentechnik-Sicherheitsverordnung (GenTSV) über mögliche Missbrauchsrisiken der Synthetischen Biologie aufzuklären.

 

Sollten sich zusätzliche Regeln für die Risikobewertung, Überwachung und Kontrolle der Forschung und Anwendung der Synthetischen Biologie im Verlauf der Entwicklung als notwendig herausstellen, so wird empfohlen, diese in Form von international anerkannten Grundsätzen zu verfassen, die Vorbild für nationale Regelungen sein könnten.

Öffentlichen Dialog zu ethischen Aspekten führen

Öffentlichen Dialog zu ethischen Aspekten führen

Soweit bewährte Methoden der Technikfolgenbeurteilung und der Risikoanalyse nicht greifen oder bei den zu erwartenden Auswirkungen hohe Unsicherheiten herrschen, muss das Vorsorgeprinzip gelten.

 

Außerdem ist es ratsam, durch die Schaffung geeigneter interdisziplinärer Diskussionsplattformen die Selbstkontrolle der Wissenschaft zu fördern. Für Fragen der ethischen Beurteilung von technisch konstruierten Lebensformen sollte möglichst zeitnah ein öffentlicher Dialog geführt werden. In diesem Dialog sollten die Argumente ausgetauscht und die verschiedenen Interpretationen des Lebendigen gegenüber dem Nichtlebendigen diskutiert werden.

 

Als Ziel des Diskurses ist die ethische Bewertung kopierender oder auch de novo synthetisierender Interventionen in die vorgefundene Natur anzustreben.

Ansprechpartner

Dr. Weitze Marc-Denis

Dr.
Marc-Denis Weitze

Leiter Themenschwerpunkt Technikkommunikation
acatech Geschäftsstelle

T: +49 (0)89/52 03 09-50
weitze@acatech.de

Empfehlungen

Die Deutsche Forschungsgemein-schaft (DFG), acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und die Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften haben eine gemeinsame Stellungnahme zu den möglichen Chancen und Risiken der Synthetischen Biologie erarbeitet.


Download der Empfehlungen

Was ist Synthetische Biologie?

Was ist Synthetische Biologie?

Was ist Synthetische Biologie? Thomas Knight vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA schlägt die folgende Definition vor: „Synthetische Biologie ist das rationale Design, Modellieren, Konstruieren, Korrigieren und Testen künstlicher lebendiger Systeme.“ Was unterscheidet Synthetische Biologie da  von Gentechnik? Sie beschränkt sich nicht auf Veränderung und Austausch bestehender Gensequenzen, sondern konstruiert neue Genome, verwendet neue genetische Codes, arbeitet nach Designprinzipien und nutzt standardisierte Elemente.

Zum Beispiel Code Engnieering

Zum Beispiel Code Engnieering

Organismen stellen in der Regel 20 verschiedene Aminosäuren selbst her: Diese Aminosäuren sind die Bausteine der natürlichen Proteine, die Struktur und Chemie des Lebens prägen.

 

„Wenn es gelingt, künstliche Aminosäuren einzuschleusen,  entstehen Proteine mit ganz neuen Eigenschaften“, beschreibt Nediljko Budisa vom Max- Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München die Methode des Code-Engineering. „Es gibt keinen chemischen oder biologischen Grund,  warum ausgerechnet die zwanzig ‚kanonischen’ Aminosäuren die Bausteine für Proteine sind.“

 

Eine Code-Erweiterung könnte neue Medikamente, Katalysatoren und Biomaterialien ermöglichen, die beispielsweise als Zahnimplantate oder Knochenersatz dienen. Dazu werden Zellen regelrecht umprogrammiert. Die Wirkungsweisen der Gene wird verändert, indem der genetische Code anders übersetzt wird – und zwar in künstliche Aminosäuren. „Auf diese Weise lassen sich maßgeschneiderte Proteine in Mengen erzeugen, die herkömmliche Labore kaum stemmen könnten.“

Publikation

acatech DISKUSSION "Synthetische Biologie - Die Geburt einer neuen Technikwissenschaft"

 

 

zum Download

 

Projektgruppe

Das acatech Projekt Synthetische Biologie wurde von Prof. Dr. Bernd Müller-Röber, Universität Potsdam geleitet.

Mehr

Themennetzwerk Biotechnologie und Bioökonomie

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