Synthetische Biologie ist ein Forschungsfeld, das biologische Bausteine – Gene, Enzymketten, ganze Genome – nach ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien entwirft und zusammensetzt, um Systeme zu erhalten, die es in dieser Form in der Natur nicht gibt. Anders als die klassische Gentechnik, die meist einzelne Gene überträgt, arbeitet sie mit standardisierten Teilen, mit Schaltkreisen und mit chemisch hergestellter DNA, deren Bauplan zuerst am Rechner entsteht.
Der Artikel ordnet ein, welche Methoden dahinterstehen, welche Experimente das Feld geprägt haben, welche Produkte daraus real entstanden sind und wie Deutschland und die EU die Arbeit regulieren.
Woher der Begriff kommt
Der Ausdruck ist deutlich älter als die heutige Forschung. Der französische Mediziner Stéphane Leduc veröffentlichte 1912 ein Buch mit dem Titel „La Biologie Synthétique“; ihm ging es um eine synthetische Methode, Beobachtetes regelhaft nachzubauen, nicht um DNA. Der Genetiker Wacław Szybalski formulierte 1974, die Molekularbiologie arbeite bislang beschreibend – die eigentliche Herausforderung beginne mit einer „synthetic biology phase“. 1978 sprachen Szybalski und Ann Skalka vom Beginn einer Ära, in der sich neue Genanordnungen konstruieren statt nur analysieren ließen.
Als eigenständiges Fach mit eigenen Methoden, Wettbewerben und Förderlinien existiert die synthetische Biologie dagegen erst seit rund 2000. Wer ihre Ursprünge ins frühe 20. Jahrhundert datiert, meint den Begriff, nicht die Forschungspraxis.
Gentechnik und synthetische Biologie: der Unterschied
| Klassische Gentechnik | Synthetische Biologie | |
|---|---|---|
| Typischer Eingriff | ein Gen übertragen oder ausschalten | mehrere Bauteile zu einem neuen System kombinieren |
| Ausgangsmaterial | natürliche DNA aus einem Spenderorganismus | häufig chemisch synthetisierte DNA nach digitalem Bauplan |
| Denkweise | Veränderung eines bestehenden Organismus | Entwurf, Bau, Test, Überarbeitung im Zyklus |
| Beispiel | Bakterien produzieren menschliches Insulin | Hefe erhält einen kompletten pflanzlichen Stoffwechselweg |
Die Grenze ist fließend, und das hat rechtliche Folgen: Weil die Produkte am Ende gentechnisch veränderte Organismen sind, greift in Deutschland dasselbe Gesetz wie bei herkömmlicher Gentechnik.
Die fünf Arbeitsfelder
Übersichtsdarstellungen deutscher Behörden und Forschungsnetzwerke gliedern das Fach in fünf Bereiche – eine Einteilung, die der Forschungspraxis entspricht.
Synthese von Genen und Genomen
DNA wird nicht aus Organismen isoliert, sondern aus kurzen chemisch hergestellten Stücken zusammengesetzt. Grundlage ist eine digitale Sequenz. 2003 setzte eine Gruppe um Hamilton Smith, Clyde Hutchison und Craig Venter das 5.386 Basenpaare lange Genom des Bakteriophagen phiX174 in 14 Tagen aus synthetischen Oligonukleotiden zusammen und zeigte damit, wie schnell die Methode geworden war.
Maßgeschneiderte Stoffwechselwege
Eine ganze Kette von Enzymen wird in einen Mikroorganismus übertragen, damit er einen Stoff herstellt, den er von Natur aus nicht bildet. Der Organismus wird zur „Zellfabrik“.
Genetische Schaltkreise
Gene werden so verknüpft, dass sie sich gegenseitig an- und abschalten, ähnlich Bauteilen in der Elektronik. Zwei Arbeiten in „Nature“ vom Januar 2000 gelten als Startschuss: der Kippschalter von Timothy Gardner, Charles Cantor und James Collins, der in E. coli zwischen zwei stabilen Zuständen wechselt und den letzten Zustand speichert, und der „Repressilator“ von Michael Elowitz und Stanislas Leibler, in dem drei Gene sich reihum unterdrücken und dadurch eine regelmäßige Schwingung erzeugen.
Xenobiologie
Hier arbeiten Forschende mit Bausteinen, die im natürlichen Erbgut nicht vorkommen, etwa veränderten Nukleinsäuren oder nicht natürlichen Aminosäuren. Die ZKBS führt diesen Zweig unter dem Stichwort Xenomikrobiologie als eigenen Meilenstein des Jahres 2016.
Minimalzellen
Ein Genom wird auf das reduziert, was eine Zelle zum Leben und zur Teilung braucht. 2010 übertrug das J. Craig Venter Institute ein chemisch hergestelltes Genom von Mycoplasma mycoides mit 1,08 Millionen Basenpaaren in eine Empfängerzelle – JCVI-syn1.0. 2016 folgte in „Science“ JCVI-syn3.0 mit 531.560 Basenpaaren und 473 Genen, damals das kleinste Genom eines sich selbst vermehrenden Organismus. Bemerkenswert ist weniger die Zahl als ein Nebenbefund: Bei 149 dieser überlebensnotwendigen Gene war die Funktion unbekannt. Craig Venter formulierte es so, dass 32 Prozent der lebensnotwendigen Gene dieser Zelle nicht verstanden seien.
Zeitleiste der wichtigsten Schritte
| Jahr | Ereignis |
|---|---|
| 1978 | Szybalski beschreibt den Übergang in eine „Ära der synthetischen Biologie“ |
| Januar 2000 | Erste synthetische Genschaltkreise: Kippschalter und Repressilator in E. coli |
| 2002 | Erstes vollständig aus synthetischer DNA hergestelltes Virusgenom (Poliovirus; Cello et al.) – Auslöser der ersten großen Biosicherheitsdebatte des Fachs |
| 2003 | Genom des Bakteriophagen phiX174 in 14 Tagen synthetisiert; am MIT startet der Kurs, aus dem iGEM hervorgeht |
| 2010 | JCVI-syn1.0: erste Zelle mit chemisch hergestelltem Bakteriengenom |
| 2013 | Hefe produziert 25 Gramm Artemisininsäure pro Liter (Nature) |
| 2016 | JCVI-syn3.0: Minimalzelle mit 473 Genen |
Was daraus real geworden ist
Das am besten dokumentierte Produkt ist der Malariawirkstoff Artemisinin. Eine Gruppe um Christopher Paddon und Jay Keasling beschrieb 2013 in „Nature“ Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), die mit fünf aus dem Einjährigen Beifuß stammenden Enzymen ausgestattet wurde und 25 Gramm Artemisininsäure pro Liter bildete – zuvor waren 1,6 Gramm erreicht worden. Ein vierstufiges chemisches Verfahren wandelt die Säure mit 40 bis 45 Prozent Gesamtausbeute in Artemisinin um; die Rechte wurden frei zugänglich gemacht. Sanofi lieferte ab 2014 Kombinationstherapien mit so hergestelltem Artemisinin aus. Die industrielle Route läuft damit über Hefe, nicht über Bakterien – eine Verwechslung, die in populären Darstellungen häufig vorkommt.
Ein zweiter Strang ist die Nachwuchs- und Standardisierungsarbeit. Aus einem Januarkurs am MIT im Jahr 2003, unterrichtet von Tom Knight, Randy Rettberg, Drew Endy und Gerald Sussman, wurde 2004 ein Wettbewerb mit fünf Teams: iGEM. Knight entwarf dafür die „BioBricks“, standardisierte genetische Bauteile nach dem Vorbild standardisierter Elektronikbausteine; daraus entstand das Register standardisierter biologischer Teile. iGEM ist seit 2013 eine eigenständige gemeinnützige Organisation und hat nach eigenen Angaben zum 20. Jubiläum 2023 mehr als 70.000 Studierende erreicht.
Rechtlicher Rahmen in Deutschland und der EU
Für synthetische Biologie gibt es in Deutschland und Europa kein eigenes Gesetz. Bewertet wird sie über das bestehende Gentechnikrecht: die EU-Richtlinien 2009/41/EG (Arbeiten in geschlossenen Systemen) und 2001/18/EG (Freisetzung) sowie das deutsche Gentechnikgesetz (GenTG). Hinzu kommen Infektionsschutzrecht, Biostoffverordnung und das Kriegswaffenkontrollgesetz.
Das GenTG ordnet jede gentechnische Arbeit einer von vier Sicherheitsstufen zu. Stufe 1 umfasst Arbeiten, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft kein Risiko für Mensch und Umwelt anzunehmen ist, Stufe 4 solche mit hohem Risiko oder begründetem Verdacht darauf; bei Zweifeln gilt die höhere Stufe.
Die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) betreibt dazu ein eigenes Monitoring der synthetischen Biologie und veröffentlicht Berichte über den Stand der Forschung. In ihrer Meilenstein-Übersicht hält sie fest, dass es in Deutschland und Europa keine eigene Regulierung für die Risikobewertung synthetischer Biologie gibt – bewertet wird nach den genannten Richtlinien und dem Gentechnikgesetz.
Neben der Biosafety – dem Schutz vor unerwünschten Folgen des regulären Umgangs – steht die Biosecurity: der Schutz vor gezieltem Missbrauch. Weil Baupläne heute digital vorliegen und über Grenzen hinweg verschickt werden, haben sich kommerzielle DNA-Anbieter auf eigene Prüfverfahren verständigt. Das 2009 gegründete International Gene Synthesis Consortium ist ein Zusammenschluss von Synthesefirmen, dessen Mitglieder Bestellungen und Bestellende gegen eine kuratierte Datenbank regulierter Erreger abgleichen. In Deutschland veröffentlichten die Wissenschaftsorganisationen 2014 eine gemeinsame Stellungnahme zu Freiheit und Verantwortung in der Forschung.
Wer sich für die Schnittstelle von Technik, Umwelt und Regulierung interessiert, findet einen verwandten Fall in unserem Beitrag zur CO₂-Speicherung im Untergrund; wie sensible biologische Daten in der Medizin rechtlich eingehegt werden, zeigt der Artikel zu Big Data im Gesundheitswesen.
FAQ
Ist synthetische Biologie dasselbe wie Gentechnik?
Rechtlich ja, inhaltlich nicht ganz. Die Produkte gelten als gentechnisch veränderte Organismen und werden nach GenTG bewertet. Der Unterschied liegt im Vorgehen: Statt einzelne Gene zu übertragen, werden Systeme aus mehreren, oft chemisch hergestellten Bauteilen entworfen.
Gibt es schon Produkte auf dem Markt?
Ja. Am besten belegt ist Artemisinin aus gentechnisch veränderter Hefe, das Sanofi ab 2014 in Malaria-Kombinationstherapien auslieferte.
Sind mRNA-Impfstoffe ein Produkt der synthetischen Biologie?
Die Zuordnung findet sich häufig, ist aber Auslegungssache: In den einschlägigen Meilensteinlisten, etwa der ZKBS, werden mRNA-Impfstoffe nicht als Ergebnis der synthetischen Biologie geführt.
Wer kontrolliert die Forschung in Deutschland?
Die Genehmigung und Überwachung gentechnischer Arbeiten liegt bei den Landesbehörden auf Grundlage des GenTG. Die ZKBS bewertet Risiken fachlich und betreibt ein eigenes Monitoring der synthetischen Biologie.
Was ist eine Minimalzelle?
Eine Zelle, deren Genom auf die zum Überleben und Teilen notwendigen Gene reduziert wurde. JCVI-syn3.0 kam 2016 mit 473 Genen aus.
Kurz gesagt
Synthetische Biologie ist kein Versprechen für übermorgen, sondern ein Methodenbaukasten mit belegten Ergebnissen: Genschaltkreise seit 2000, synthetisierte Genome seit 2003, eine Minimalzelle 2016 und ein Malariamedikament aus dem Fermenter. Reguliert wird sie in Deutschland nicht über ein Spezialgesetz, sondern über das bestehende Gentechnikrecht, begleitet von einem laufenden Monitoring der ZKBS.
Quellen
- ZKBS: Übersicht über die Meilensteine der Synthetischen Biologie
- MaxSynBio (Max-Planck-Forschungsnetzwerk): Sicherheit der synthetischen Biologie
- Gentechnikgesetz § 7: Sicherheitsstufen
- J. Craig Venter Institute: First Minimal Synthetic Bacterial Cell (JCVI-syn3.0)
- Paddon et al. (2013), Nature: High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin
- iGEM Blog: Insights from iGEM's History
- Center for Humans and Nature: Synthetic Biology – Origin, Scope, and Ethics
- J. Craig Venter Institute: Generating a synthetic genome – phiX174 bacteriophage (Smith, Hutchison, Pfannkoch, Venter, 2003)
