Leben aus dem Labor

Der Tag, an dem der Mensch künstliches Leben erschaffen kann, rückt näher. Ein Zukunftsszenario, das schon nahe an der Realität ist.

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Der heutige Text der Zukunftsreporter klingt wie ein Szenario aus einer fernen Zukunft. Aber er beschreibt bereits die Realität. Beat und Matthias Christen, zwei Brüder und Forscher an der ETH Zürich, haben die DNA eines Bakteriums im Labor vollständig synthetisch hergestellt. Sie haben dabei nicht etwa nur die Vorgabe der Natur 1:1 nachgebaut, sondern mit Hilfe von künstlicher Intelligenz das Erbgut des Süßwasser-Bakteriums geschickt verändert. Dadurch wurde die Herstellung des DNA-Strangs im Labor einfacher, ohne dass der Organismus seine Eigenschaften verlor. Binnen eines Jahres sei auf diesem Wege "Caulobacter ethensis-2.0" entstanden, heißt es. Ganz gelungen ist das Experiment offenbar noch nicht. Ein Siebtel der Gene des neuen Bakteriums funktioniert noch nicht richtig. Aber die Schweizer Forscher sind zuversichtlich, dass sie dieses Problem lösen werden. Die Ergebnisse müssen noch bestätigt werden, aber der Tag, an dem der Mensch künstliches Leben erschafft, rückt näher. Das Ziel der Forscher klingt ehrenwert. Synthetische Mikroorganismen sollen in der Biotechnologie Naturstoffe wie beispielsweise pharmazeutisch wirksame Moleküle oder Vitamine herstellen. 

Der Erfolg der Schweizer Forscher wirft einige grundsätzliche Fragen zur Existenz von primitiven Lebensformen auf. Sie zielen auf die Grundausstattung, die Leben benötigt, damit es überleben kann. Wie viele Gene sind für ein Lebewesen nötig? Und welche? Der Gentechnik-Pionier Craig Venter reduzierte das Erbgut seines Labor-Organismus „Syn 3.0“ auf 473 Gene. Ein Rekord. Vergleichbares ist der Natur nicht gelungen. Diese Zahl ist vermutlich die rote Linie, die die Evolution gezogen hat, Sie bildet wohl die Minimalausstattung eines Organismus. Venters Laborgeschöpfe zählen zur Gattung der Mykoplasmen: Es sind einfache Bakterien, die noch nicht einmal eine Zellwand bilden können, die sie vor der Umwelt und dem Austrocknen schützt. Zudem kann „Syn 3.0“ viele der Aminosäuren, die es für den eigenen Stoffwechsel benötigt, nicht selbst produzieren. Der genetische Minimalist ist deshalb ausgesprochen empfindlich. Er kann nur im Labor überleben, wenn er dort im passenden Nährmedium unter den richtigen Bedingungen kultiviert wird.

Nach Schätzungen der Genetiker werden für den Aufbau einer Zellwand 55 weitere Gene benötigt. Venter hat sich diesen Aufwand gespart, weil die künstliche Synthese des Erbguts ohnehin schon mehrere Jahre in Anspruch nahm. „Syn 3.0“ ist ein reines Forschungsobjekt. Als Arbeitspferd für die Biotechnologie, die künstliche Bakterien, Hefe und Pilze als Biofabriken zur Produktion von wertvollen Naturstoffen einsetzen will, taugt das Laborwesen nicht. Aber die Namengebung legt nahe, dass die Biotechnologen in Venters Labor bereits an einer Version 4.0 arbeiten.

Die Ergebnisse unterschiedlicher Forschergruppen in diesem Arbeitsfeld legen nahe, dass der Mensch der erste Bewohner in der langen Geschichte des Planeten Erde sein wird, der neue Lebensformen erschaffen kann. Und zwar nicht durch Zufälle oder Evolution, sondern zielgerichtet mit einem konkreten Bauplan, wie ihn Architekten und Ingenieure verwenden. Das Verstörende und Atemberaubende der Züricher Ergebnisse liegt nicht daran, dass es vermutlich gelungen ist, ein funktionierendes Genom am Computer zu erstellen und zu verändern. Projektleiter Beat Christen von der ETH Zürich beschreibt die außergewöhnliche Dynamik seiner Arbeit in einem Satz: „Was mit Craig Venters Technologie zehn Jahre dauerte, erreichte unsere kleine Gruppe mit unserer neuen Technologie innerhalb eines Jahres mit Herstellungskosten von 120.000 Schweizer Franken."

Wenn Wissenschaftler von einem Durchbruch sprechen, ist immer Vorsicht geboten. Aber die ETH Zürich hat ein hohes Ansehen zu verspielen, die Arbeit wurde in einem angesehenen wissenschaftlichen Journal veröffentlicht. Erst die Kontrolle und Bewertung durch andere Experten dieses Fachgebiets wird zeigen, ob die Schweizer dem selbst erhobenen hohen Anspruch genügen können. Der kritische Umgang der Christen-Brüder mit den eigenen Ergebnissen spricht dafür. Sie berichten, dass in der aktuellen Version des DNA-Strangs nur rund 580 der 680 künstlichen Gene funktionsfähig seien. Mit dem während der Forschung gewonnenen Wissen sei es aber möglich, den Algorithmus zu verbessern und eine voll funktionsfähige Genom-Version 3.0 des Bakteriums zu entwickeln, sagt Beat Christen.

Das eigentliche Ende der Forschungsarbeit steht also noch aus. Manches ehrgeizige und vielversprechende wissenschaftliche Projekt scheiterte noch an den letzten Schritten der Umsetzung. Trotzdem sind die Schweizer Wissenschaftler schon jetzt an die Öffentlichkeit gegangen. „So vielversprechend die Forschungsresultate und möglichen Anwendungen auch sind, verlangen sie eine tiefgreifende gesellschaftliche Diskussion darüber, zu welchen Zwecken diese Technologie angewandt werden darf, und damit verbunden, wie Missbräuche verhindert werden können", sagt Beat Christen. Rein rechtlich werden die ETH-Bakterien durch bestehende Gesetze erfasst. Sie unterliegen den strengen Regelungen für gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Bisher existiere "Caulobacter ethensis-2.0" aber nur in Form eines Chromosoms, also eines sehr großen DNA-Moleküls, betont Christen. Einen dazugehörigen Organismus gebe es noch nicht.

Die Genetiker vermuten, dass ein stabilerer Organismus knapp 600 Gene für das Überleben benötigt. Forscher ermitteln solche Zahlen für das Minimalgenom auf zwei Wegen. Einige Gruppen versuchen, das Genom aus dem Nichts aufzubauen. Andere Gruppen suchen nach Bakterien, die bereits von der Natur mit wenig Genen ausgestattet wurden, schalten davon einige Dutzend ab und beobachten die Auswirkungen. Diese beiden Ansätze müssen übrigens nicht notwendigerweise zum selben Ergebnis führen. Es ist denkbar und sogar sehr wahrscheinlich, dass es nicht ein einziges, sondern viele Minimalgenome gibt, die sich in der Zusammensetzung der benutzten Gene deutlich unterscheiden.

Für "C. ethensis-2.0" sind die Schweizer Forscher den Weg der Verringerung eines bestehenden Genoms gegangen. Ihr Ergebnis fußt auf dem Erbgut des gut untersuchten Süßwasserbakteriums "Caulobacter crescentus", das in der Wissenschaft häufig als Modellorganismus zur Erforschung von Bakterien verwendet wird. Die natürliche Genom-Variante dieses Bakteriums umfasst 4000 Gene. Wissenschaftler haben schon vor Jahren gezeigt, dass davon nur rund 680 essenzielle Gene zwingend benötigt werden.

Die Christen-Brüder nahmen nach eigenen Angaben diese reduzierte Form von "C. crescentus" als Ausgangspunkt für ihre Arbeit und starteten den Versuch, das vollständige Genom im Labor Stück für Stück synthetisch nachzubauen. Die ETH-Wissenschaftler stellten dafür 236 einzelne Genom-Teilstücke her und setzten sie anschließend zusammen. Dabei half ihnen künstliche Intelligenz. Die Wissenschaftler nutzten einen selbstentwickelten Algorithmus, der die Genomsequenz vereinfachte, ohne dabei den eigentlichen Informationsgehalt der Gene zu verändern. Sie optimierten quasi mit Hilfe der KI die Struktur der natürlichen Variante des Genoms, um den biochemischen Herstellungsprozess zu erleichtern. „Mehr als ein Sechstel aller 800.000 DNA-Bausteine sind im künstlichen Genom gegenüber dem natürlichen Minimalgenom verändert", berichtet Christen. „In unserem Genom ist die Abfolge der DNA-Bausteine neu und gegenüber der ursprünglichen Abfolge nicht mehr wiederzuerkennen", erklärt er. Die biologische Funktion der Gene auf Ebene der Proteine bleibe jedoch dieselbe. Das ergaben Tests, bei denen Teile des neuen Genoms in natürlichen Bakterien eingesetzt wurde. Der Algorithmus habe diesen Spielraum optimal ausgenutzt, berichten die Forscher.

Die Anwendung des Algorithmus und der Synthesemethode sei nicht auf "Caulobacter crescentus" beschränkt, ergänzt Beat Christen. „Auch wenn die derzeitige Genom-Version noch nicht perfekt ist, so zeigt unsere Arbeit dennoch, dass biologische Systeme so einfach aufgebaut sind, dass wir sie in Zukunft am Computer nach unseren Zwecken definieren und anschließend bauen können", sagt Matthias Christen.



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