«Synthetische Biologie - von der Biotechnologie zum Bioengineering»

November 2008

Referate

  • Synthetische Biologie: Der (lange) Weg zum Bioingenieur - und forschungspolitische Herausforderungen
    Prof. Dr. Sven Panke, Department for Biosystems Science and Engineering, ETHZürich, Basel
  • Ethische Fragen der Synthetischen Biologie - ist eine inklusive Debatte möglich
    Prof. Dr. Nikola Biller-Andorno, Institut für Biomedizinische Ethik, Universität Zürich
  • Die veröffentlichte Wahrnehmung der Synthetischen Biologie - und was man daraus schliessen kann
    Markus Hofmann, Jounalist, Neue Zürcher Zeitung

Synthetische Biologie: Der (lange) Weg zum Bioingenieur - und forschungspolitische Herausforderungen

Sven Panke, Institut für Verfahrenstechnik, Department for Biosystems Science and Engineering, ETH Zürich, Basel

Die langfristigen Ziele der Biotechnologie sind vielfältig: die Herstellung von intelligenten Arzneimitteln, die Gewinnung sauberer Energie aus nachwachsenden Rohstoffen, das Design von massgeschneiderten Therapeutika, die Durchführung sauberer Chemie und die Herstellung von neuen, komplizierten Verbindungen. Bis jetzt verbessern Biotechnologen erfolgreich gewisse natürliche Prozesse (siehe Penicillin und Ethanol Produktion) oder führen begrenzte Veränderungen an biologischen Systemen durch (Antikörperproduktion). Aktuell herrscht jedoch noch eine grosse Diskrepanz zwischen den Zielen der Biotechnologie auf der einen Seite und dem aktuell biotechnologisch Möglichen auf der anderen Seite. Die Schwierigkeit der Biotechnologie ist die Komplexität der verwendeten Katalysatoren (Bakterien, Hefen). Die Motivation der synthetischen Biologie ist daher, die Prozesse oder Manipulationen (innerhalb einer Zelle) so umzugestalten, dass die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können.

Um dies zu erreichen, wählte die synthetische Biologie einen Ansatz ähnlich jenem der Ingenieurswissenschaften: Ingenieure verwenden Standartbauteile (wie zum Beispie Transistoren) und bauen sie nach mathematischen Modellen oder Fertigungsschemata in komplexe Systeme ein. Die synthetische Biologie versucht mit biologischen Systemen ähnlich systematisch und teilweise vereinfacht umzugehen, und untersucht, ob und wie man komplexe Einheiten wie Zellen mit standardisierten (DNA-) Teilen (um-) bauen kann.

Grundlage und treibende Kraft der synthetischen Biologie sind die rasanten Fortschritte der chemischen DNASynthese. Man kann heute mit enormen Kapazitäten DNA Stücke erstellen und zu grossen Strängen zusammenfügen. Den vorläufigen Gipfel erreichte das Craig Venter Institute mit der chemischen Synthese des Genoms des kleinsten Lebewesens, Mycoplasma genitalium (580'000 Basenpaare) im Jahr 2007. Dieses Genom ist allerdings (noch) nicht funktionell.

Um reproduzierbar ein voraussagbares Verhalten von Systemen herzustellen, versucht man in der synthetischen Biologie also biologische Bauteile auf DNA-Ebene zu definieren. Standardisierte (automatisierbare) Protokolle sollen gewährleisten, dass diese Bauteile auch zu komplexeren DNA-Strukturen verknüpft und schliesslich vielleicht sogar zu ganzen Genomen zusammengebaut werden können.

Eine weitere Herausforderung ist der erfolgreiche Einbau der Bausteine in biologische Systeme (Zellen). Selbst einfachste Zellen verfügen über stark verknüpfte Netzwerke, die das Einbringen von neuen Funktionalitäten nur im Kontext erlauben. Die komplizierten Netzwerke innerhalb einer Zelle sind (noch) nicht verstanden und werden von Systembiologen erforscht. Schon der Einbau eines einzelnen Gens beeinflusst das Netzwerk einer Zelle, dementsprechend schwierig ist die genaue Vorhersage, wie ein ganzer Bauteil sich verhalten könnte.

Mit verschiedenen Ansätzen versucht man die Netzwerke zu verkürzen und kontrollierbar zu machen. Ein erster Ansatz ist die Ausarbeitung von reduzierten Genomen, die in der Frage nach dem "minimalen Genom" gipfelt. Das minimale Genom soll ausschliesslich auf jene Gene reduziert sein, die für das Funktionieren einer Zelle absolut notwendig sind. Theoretische Berechnungen beziffern die Zahl der benötigten Gene auf 200. Ein weiterer Ansatz ist, in zellfreien Systemen, als in vitro zu arbeiten. Schliesslich könnte man innerhalb einer Zelle eine "Parallelwelt" aufbauen: man programmiert chemische Schnittstellen um und erlaubt so kleinen rekombinanten Netzwerken die Funktion in der Zelle aber ausserhalb des zellulären Kontexts.

Bis heute verzeichnet die junge Wissenschaft der synthetischen Biologie kleine Erfolge: ein Vorläufer des Malariamedikaments Artemisinin kann in Hefen hergestellt werden. Des Weiteren gelang es schon, einfache logische Schaltkreise, sowie Proteinoszillatoren und programmierte räumliche Bakterien-Muster nachzubauen.

Synthetische Biologie ist also keine reife, existierende Technologie. Synthetische Biologie ist vielmehr interdisziplinäres Forschungsprojekt und eine der ambitioniertesten Entwicklungen der Biotechnologie der letzen 10-20 Jahre.

Hintergründe der Synthetischen Biologie

Als Geburtsstunde der Synthetischen Biologie kann man die erste Konferenz, Synthetic Biology 1.0 im Jahr 2004 in Boston, USA nennen. Schon zwei Jahre danach, bei der Synthetic Biologiy 2.0 Konferenz in Berkeley wurde Kritik von NGOs laut. Bei dieser zweiten Konferenz wurden sozioökonomische und ethische Aspekte auch schon von den Wissenschaftlern selbst aufgegriffen und diskutiert. Bei den darauffolgenden Konferenzen (Synthetic Biology 3.0 in Zürich und 4.0 in Hongkong) zeigte sich die "Community" durchaus bereit, dieses Thema proaktiv aufzunehmen und fördert die damit verbundene Diskussion in einer Reihe von Aktivitäten.

Während man die USA als Heimat der synthetischen Biologie bezeichnen kann, hat die Antwort Europas nicht lange auf sich warten lassen. Die Synthetische Biologie wurde (ungewöhnlicherweise) nicht national, sondern auf europäischer Ebene lanciert. Mit der Beteiligung und Koordination von mehreren EU -Projekten hat die ETH Zürich europaweit eine führende Position eingenommen, dies auf wissenschaftlicher aber auch auf didaktischer Ebene.


Ethische Fragen der Synthetischen Biologie - ist eine "inklusive Debatte" möglich?

Prof. Dr. med. Dr. phil. Nikola Biller-Andorno, Institut für Biomedizinische Ethik, Universität Zürich

Sauber Energiequellen, die Entwicklung von „low-cost“ Medikamenten - die Synthetische Biologie bietet verlockende Perspektiven. Gleichzeitig stellt sich aber auch die Frage "Wie weit dürfen wir gehen?", "Was für Risiken bringen die neuen Technologien mit sich?"

Synbiosafe ist ein internationales, interdisziplinäres wissenschaftliches Projekt, das im 6. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission gefördert wird. Ziel des Projekts ist es, Fragen der Ethik und der Sicherheit der Synthetischen Biologie zu definieren und eine Debatte anzuregen. In einem Priority Paper, erarbeitet mit Hilfe von Experteninterviews, einer E-Konferenz und Feedbacks von Naturwissenschaftern und ELSA (Ethical, Legal and Social Aspects) Wissenschaftern sollen die zentralen Punkte dieser Debatte zu definiert werden.

Für die Experteninterviews wurden 20 Wissenschafter befragt, die im Rahmen des 6. Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Kommission gefördert werden. Dazu gehören nicht nur Biologen sondern auch Ingenieurwissenschafter, Chemiker, Genetiker, Mathematiker, Physiker und Computerwissenschafter. Die Interviewten sollten Stellung nehmen zu der Frage: "Was sind die wichtigsten Fragen die sich in Bezug zu synthetischer Biologie stellen?".

Um die Debatte auf breiterer Basis anzuregen wurde, auf der Grundlage der Experteninterviews, eine E-Konferenz durchgeführt. Angekündigt wurde die E-Konferenz auf verschiedenen Websites und Meetings der Synthetischen Biologie. Teilgenommen haben 124 Personen aus 23 Ländern (50% aus Europa), vorwiegend Personen aus Naturwissenschaften und ELSA Wissenschaften. Diskussionspunkte kamen aus den Bereichen Ethik, Schutz und Sicherheit, Intellectual Property, Regulation und öffentliche Wahrnehmung.

Die Ethik, die bei dieser Konferenz auf das grösste Interesse stiess, befasste sich mit Fragen wie "Was ist Leben?", "Was unterscheidet Leben von einer sich replizierenden Maschine?" und "Wann wird ein Forscher zum Schöpfer?". Des Weiteren wurde der Stellenwert der ethischen Debatte in der synthetischen Biologie diskutiert und die Frage gestellt, wie sich die Synthetische Biologie auf die herrschende Kluft zwischen arm und reich auswirken könnte.

Die in der E-Konferenz angesprochen Aspekte wurden schliesslich in einem Priority Paper um drei Kernthemen gruppiert:

  • Konzepte von Leben: es wird dabei nicht erwartet einen normativen Konsens für diese Frage zu finden, vielmehr geht darum die Gültigkeit von Argumenten festzulegen und eine faire politische Debatte zu ermöglichen.
  • Definition der Risiken und Nutzen: was sind die Risiken und können sie eingegangen werden, wie gross ist der Nutzen, was sind die Auswirkungen auf Mensch, Tier und Umwelt
  • Nutzen, Zugang und Recht: Wieweit soll gewonnenes Wissen geschützt werden, wie steht es mit Intellectual Property.

Zu den ebenso zentralen Fragen der ethischen Debatte "Was ist Natur?", "Wie wichtig ist die DNA für unser Selbst und unsere Würde?", "Wann hört die Wissenschaft auf und fängt die Schöpfung an? " und "Gehören Leiden und Endlichkeit nicht zum menschlichem Dasein?" besteht wenig Aussicht auf einen normativen Konsens. Mit einer offenen Debatte sollen jedoch Rahmenbedingung für einen fairen Strategieprozess ermöglicht werden.

Das Priority Paper wurde auf dem "4th International Meeting on Synthetic Biology SB4.0" in Honkong vorgestellt. Schmidt M et al: The Societal Aspects of Synthetic Biology: A Priority Paper. Third Draft.


Die veröffentlichte Wahrnehmung der Synthetischen Biologie - und was man daraus schliessen kann

Markus Hofmann, Jounalist, Neue Zürcher Zeitung

Eine öffentliche Debatte zur Synthetischen Biologie findet in der Schweiz zurzeit nicht statt. Seit ein paar Jahren erscheinen vereinzelt Artikel zu dem neuen Forschungsgebiet. Insbesondere rund um den Kongress SB 3.0 an derETH Zürich im Sommer 2007 ist in verschiedenen Zeitungen über die Synthetische Biologie berichtet worden.

Die Berichte enthalten Begriffe und Metaphern, die für Diskurse rund um neue Technologien typisch sind. Grundsätzlich stehen sich Versprechungen seitens der Wissenschaft/Industrie und Befürchtungen seitens organisierter, explizit wissenschaftskritischer Gruppen (ETC, SAG) gegenüber; die Meinungen der NGOs werden oft unkritisch mit der Ansicht der Bevölkerung ineins gesetzt (wobei man sich im Fall der Synthetischen Biologie nicht einmal auf Umfragen abstützen kann). Berichtet wird über Ängste, die in der Bevölkerung vorhanden sind, gleichzeitig wird festgehalten, dass dieselbe Bevölkerung noch kaum etwas über die Synthetische Biologie weiss. Und Wissenschafter werden zitiert, die von einer "Revolution" sprechen, gleichzeitig aber nicht sagen können, wohin diese führt. Solche Gegenüberstellungen tauchen bei Debatten über neue Technologien regelmässig auf.

Für etwas mediale Aufregung sorgte ein Comic, der von der SCNAT vom Amerikanischen ins Deutsche übersetzt wurde. Doch die Interpretation des Comics ist von den Annahmen des Betrachters abhängig. Liest man den Comic mit einem deutlich wissenschaftskritischen Blick, kann man darin die schlimmsten Befürchtungen bestätigt sehen. Der Comic lässt sich aber auch ganz anderes lesen, nämlich als Ausdruck von Experimentierfreude, Interesse an der Wissenschaft, Lernbereitschaft usw.

Die Titel der durchgesehenen Artikel lauten etwa: "Auf dem Baummarkt des Lebens" (Baz 2.12.05), "Lego-Basteln für Genetiker" (MLZ 15.12.05), "Die Neuerfindung des Lebens" (Spiegel 14.8.06) "Wir fangen ein neues Leben an" (Weltwoche 23.2.06), "Organismen vom Reissbrett" (NZZ 23.8.06), "Die Maschine lebt" (Woz 12.7.07), "Der neueste Bio-Schocker" (Mittelandzeitung 11.7.07). Vermittelt wird damit das Bild eines Ingenieurs, der am Leben bastelt. Fachbegriffe wie "Biobricks" unterstützen diesen Eindruck. Wichtig scheint mir in diesem Zusammenhang der Begriff des Lebens, an dem sich verschiedenste moralische Fragen anknüpfen lassen. Die Synthetische Biologie eignet sich daher gut, um gesellschaftliche Grundhaltungen zu debattieren, die im Grunde wenig mit der Wissenschaft selber zu tun haben. Die Synthetische Biologie könnte damit zu einer Stellvertreterin gesellschaftlicher Auseinandersetzungen werden, wie dies bereits die Nanotechnologie vor ein paar Jahren war.

Um für diese Diskussionen gewappnet zu sein, ist von Seiten der Wissenschaft nicht nur die Vermittlung von Information notwendig sondern vor allem auch Herstellung von Vertrauen. Die Basis dafür schaffen am besten glaubwürdige Wissenschafter selber.