Die Kunst des Künstlichen – Organe und Organismen aus dem Reagenzglas

Die Meldung, dass es gelungen ist, einen künstlichen Rattenvorderlauf „zu züchten“, hat die Runde gemacht.
Für die einen wäre es die Erfüllung eines Traums, für viele sicher eine gruselige Vorstellung: Ein im Labor für seinen neuen menschlichen Besitzer gezüchteter Ersatzarm. Keine Frage: Der Verlust einer Extremität ist eine gravierende Beeinträchtigung, und auch die mittlerweile schon sehr ausgefeilten Prothesen haben den Nachteil, die Funktionalitäten nicht vollständig ersetzen zu können. Hinzu kommt, dass bei allen Transplantationen weiterhin das große Problem der Abstoßung-Reaktionen besteht, die durch Immunsuppressiva unterdrückt werden müssen. Deshalb argumentieren die Wissenschaftler, die versuchen, Körperteile zu züchten, dass sie die Nachteile eliminieren und für einen echten Ersatz sorgen würden, indem sie körpereigene Zellen des Patienten sozusagen auf „Basismaterial“ aufpfropfen und dort wachsen lassen. Dann würde der für den einen Patienten maßgeschneiderte Ersatzarm transplantiert und die sonst auftretenden Abstoßungsreaktionen umgangen.

Wie funktioniert das im Rattenversuch? Zunächst werden die lebenden Zellen eines Spenderorgans mit einem Verfahren namens „Perfusion decellularization“, das der Wissenschaftler Stephen F. Badylak an der Universität Pittsburgh entwickelte, entfernt. Die übrig gebliebene Stützstruktur wird daraufhin mit den geeigneten Zellen wieder besiedelt. Das heißt: Die Muskeln und Blutgefäße werden mit Zellen der passenden Phänotypen zusammen gebracht und das daraus resultierende Gewebesystem in einem „Perfusion bioreactor“ elektrisch stimuliert. Nach Abschluss dieses Vorgangs wird das entstandene Bio-Transplantat an einen echten Organismus ‚angeschlossen’, d.h. in diesem Fall einer Ratte transplantiert. Die Sensation war perfekt, als der Organismus der Ratte tatsächlich begann, den transplantierten Vorderlauf zu durchbluten und sich die Pfote bei elektrischer Stimulation öffnete und schloss. Allerdings gibt es noch keine Langzeiterfahrung über die weitere Entwicklung, also ob sich das Transplantat dauerhaft bewährt.

Das Labor von Harald Ott am Richard B. Simches Research Center in Boston hat mit diesem Verfahren bisher schon Herz, Leber und Lungen aus Tiermodellen regeneriert, aber noch keine nachwachsenden Gliedmaßen. „This is the first attempt to make a biolimb, and I’m not aware of any other technology able to generate a composite tissue of this complexity“, sagt Harald Ott über seine Forschung, betont aber gleichzeitig, dass es wohl noch ein Jahrzehnt dauern würde, bis die ersten Gliedmaßen, die an einem Menschen getestet werden könnten, soweit entwickelt wären.

 

DNA-Verteilungsanlage

DNA-Verteilung, igemhq, CC BY 2.0

Die Synthetische Biologie vereint verschiedene Disziplinen: Biologen, Chemiker und Ingenieure arbeiten hier in multinationalen Teams zusammen. Biologen werden zu Designern von Molekülen, Zellen und Organismen, und Techniker bereichern die Biologie, indem sie ihre Kenntnisse in den Designprozess mit einbringen. Ein Paradebeispiel für diese Entwicklung ist die Firma Ginkgo Bioworks aus Boston. Sie wollen Organismen in großem Stil erzeugen. Ein Projekt dieser Firma ist die „Organschmiede“: „We use our foundry to do the complex work of developing a wide range of organisms for different markets. Our foundry uses new technologies that make organism engineering simpler and faster than ever before“, heißt es in einer Selbstdarstellung. Dank modernster Software und Robotertechnik kann man hier eine voll-automatische Produktionsstraße für synthetisch erzeugte „Biomaterialien“ bewundern. Ein Beispiel: Gingko stellt Hefezellen her, die Rosen-Aromen und Duftstoffe entwickeln. Das Spektrum ist weit gefächert und reicht bis zu einem regulatorischen DNA-Element zur kontinuierlichen RNA-Synthese. Einer der Gründer dieser Firma ist der Überflieger Tom Knight, ursprünglich Computer-Ingenieur und später ein Protagonist der Synthetischen Biologie, der schon mal als „Vater der synthetischen Biologie“ bezeichnet wird.

Aber während hier schon fleißig produziert wird, ist die Diskussion, was sich patentieren und damit besser verkaufen lässt, noch offen. Die Mitgründerin von Gingko Bioworks, Reshma Shetty, meint, dass es nicht wirklich sinnvoll sei, einzelne Bausteine zu patentieren, ihre Firma fährt einen Mittelweg: Patente auf ausgefeilte Produkte anmelden, aber auch Open-Source-Projekte unterstützen. Angeblich will ein Großteil der Vertreter der Synthetischen Biologie eine Lösung, die sowohl Schutz des geistigen Eigentums als auch Zugeständnisse an die öffentliche Nutzung zulässt. Ausschlaggebend ist die Komplexität: „Vergleicht man die Biobausteine mit Lego, dann wären die einzelnen Steine zur Nutzung freigegeben, und nur der Bau eines komplizierten Raumschiffs aus Hunderten von Legosteinen wäre patentierbar.“

Entfacht hatte die Patent-Diskussion gleich zu Beginn der Entwicklung der Synthetischen Biologie das Verhalten des Pioniers Craig Venter, dem es als erstes gelungen war, Erbgut herzustellen und es so in eine Zelle einzupflanzen, dass ein lebensfähiges Bakterium entstand. Er gilt als glasharter Geschäftsmann, da er tausende von Patenten auf sequenzierte Gene beantragte, während parallel das öffentlich finanzierte „Human Genom Projekt“ lief. Seine Vorreiterrolle und seine wissenschaftlichen Leistungen sind aber unbestritten.

Vorbereitung der DNA-Sequenzierung

‘Ausschneiden’ von DNA in Vorbereitung der Sequenzierung. Credits: Diego Cantalapiedra, CC BY-NC-SA 2.0

Wie zu Beginn jeder neuen Entwicklung herrscht zunächst eine Art Vakuum, in das hinein geforscht wird, daraufhin keimen parallel dazu die ersten Verwertungsmöglichkeiten auf, und die Pioniere versuchen ihre Claims abzustecken. Langsam kommen staatliche und andere regulatorische Elemente dazu, es wird versucht die Forschung gleichzeitig zu fördern, aber auch in Bahnen zu lenken. Bei der Synthetischen Biologie verlief die Entwicklung exponentiell, d.h. von ersten veröffentlichten Papers 2003 bis zu mehr als 800 im Jahr 2013 allein auf einer der entsprechenden wissenschaftlichen Plattformen.

Die Synthetische Biologie entwickelt sich also seit etwas mehr als zehn Jahren als organisiertes Forschungsfeld. Und es ist ein weites Feld von synthetischen Pilzenzymen, die für die chemische Industrie von Nutzen sind, bis hin zu biologischen Bausteinen für eine individualisierte Krebstherapie. Bei der Suche nach der Krebstherapie der Zukunft macht ein besonderes Unternehmen von sich reden: „Pink Army“ heißt das Crowdfunding-Projekt von Andrew Hessel. Seine Vision: „Can you imagine a cancer treatment made just for you, in a day, for free? One with almost no side-effects?“ Und er antwortet sich selbst, indem er schreibt, dass das wie Science-Fiction klingt, aber im Bereich des Möglichen ist, wenn alle zusammenarbeiten. Hessel und seine Mitstreiter wollen frei zugängliche Methoden und Bausteine nutzen und damit zum Wohle des Patienten ohne massive Vorausfinanzierung und ohne ein Dickicht von Patenten individualisierte Produkte bereitstellen. Von Big Pharma über ehrgeizige Startups und Crowdfunding bis hin zu gemeinnützigen Organisationen, die für den Einsatz von Bioengineering im öffentlichen Interesse plädieren, tummeln sich also die unterschiedlichsten Akteure in dieser jungen Disziplin.

Nun wird um Standards für die weiter rasant wachsende Forschung gerungen. Im eigenen Interesse. Denn anders als bei auf Silizium basierenden elektronischen Geräten, haben die aus genetischen Komponenten hergestellten synthetischen Organismen – noch nicht – immer voraussagbare Eigenschaften. Im Frühjahr dieses Jahres fand ein Treffen von Vertretern der Universitäten, der Industrie und der Regierung an der Stanford University in Kalifornien statt, um ein „Synthetic Biology Standards Consortium“ ins Leben zu rufen. Den Anstoß für dieses Treffen gab das US National Institute of Standards and Technology. Man kann diese Bemühungen auch als Reifungsprozess einer Branche begreifen, in der die Wild-West-Phase zu Ende geht. Allerdings geht es hierbei nicht um eine Beurteilung und Risikoabschätzung des gesamten Forschungsbereichs, sondern um Optimierung des Forschungsprozesses und die Etablierung forschungstechnischer Standards. Doppelte Forschungsarbeit soll vermieden werden und Prozesse sollen reproduzierbar sein. Zudem gab es bisher keinen Standard für die Beschreibung dessen, was die Wissenschaftler über eine bestimmte biologische Ressource wussten.

Die Möglichkeiten der Synthetischen Biologie gehen weit über die des reinen Gen-Editing hinaus – das Wissen über ihre Möglichkeiten aber ist noch nicht so weit verbreitet wie es dieser Forschungsrichtung angemessen wäre.


Slider: DNA-Isolierung, Col Ford and Natasha de Vere, CC BY 2.0

 

Stephanie Hanel

About Stephanie Hanel

Stephanie Hanel is a journalist and author. Her enthusiasm for the people behind science grew out of her work as an online editor for AcademiaNet, an international portal that publishes profiles of excellent female scientists. She is an interested observer of new communication channels and narrative forms as well as a dedicated social media user and science slam fan.

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