Crispr / Cas9: Die Biotech-Revolution hat gerade begonnen – Kolumne
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Der Mensch hat längst begonnen, sich in die Evolution einzumischen. Erst mit der Zucht, dann mit gezielter Manipulation des Erbguts. Jetzt werden zum Teil neue Organismen entwickelt “und silico“wie es jetzt heißt, mit anderen Worten: im Computer.
Es funktioniert sehr gut, weil DNA Software ist. Aber wir wissen immer noch sehr wenig darüber, welche Codeteile genau das tun. Das komplexe Zusammenspiel von Software und Hardware unserer Zellen zu untersuchen, ist die Herkulesaufgabe der Biochemie, Mikrobiologie und Bioinformatik in den nächsten Jahrzehnten. Welches DNA-Stück ist die Zeichnung für welches der wahrscheinlich hunderttausenden verschiedenen Proteine in einem Körper? Proteine sind die Grundbausteine des Lebens.
Immer wieder erfinden Erfinder Werkzeuge für diese neue Biowissenschaft um 1993 mit Nobelpreisen ausgezeichnet und 2002. Ohne die von Kary Mullins erfundene Polymerasekettenreaktion (PCR) gäbe es keinen zuverlässigen Koronattest. Er hat dieses Werkzeug erst vor 37 Jahren erfunden. Die Biowissenschaft selbst entwickelt sich in atemberaubendem Tempo. Aber jetzt fangen die Dinge wirklich an.
Eingriffe in die Evolution
Zwei Frauen haben jetzt einen Nobelpreis für die Schaffung eines weiteren mächtigen Werkzeugs in dieser neuen Wissenschaft erhalten: Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier. Ihre Entdeckung machte Crispr / Cas9 Es ermöglicht der Menschheit, die in lebenden Zellen gefundene Software spezifisch umzuschreiben.
Es kann verwendet werden, um einzelne Gene zu entfernen oder auszuschalten, aber auch um neue Gensequenzen in lebende Zellen einzufügen. Eingreifen Sie also direkt in den Programmcode, der über Milliarden von Jahren der Entwicklung erstellt wurde. Mit einiger Fehlerwahrscheinlichkeit.
Dies ist unter Umständen so riskant, wie es sich anhört: Gerade weil wir noch so wenig über die Verbindung zwischen Hardware und Software in unseren Zellen wissen. Es gibt viele Risiken und mögliche Nebenwirkungen. Daher gab es einen globalen Aufstand, als der chinesische Forscher He Jiankui 2018 bekannt gab, dass er mit Crispr / Cas9 zwei menschliche Embryonen verändert und eine Frau Zwillinge zur Welt gebracht hatte. Er wurde schließlich zu drei Jahren Gefängnis und einer hohen Geldstrafe verurteilt.
Zellen mutieren, werden ausgewählt, mutiert, ausgewählt …
Die Versuchung, mit dem Genom lebender Menschen zu experimentieren, wird jedoch nicht nachlassen. Andere, weniger brutale Methoden, wie die Hilfe für Kranke mit Crispr, sind vielversprechend. Wie die experimentellen Therapien für Sichelzellenanämie und Hunter-Syndromentwickelt mit Cirspr.
Im Gegensatz zu Experimenten mit Embryonen wird der gesamte Organismus nicht genetisch manipuliert, sondern nur sehr spezifische Stammzellen, z. Sind verantwortlich für die Produktion von Blutbestandteilen. Zellen mit gebrochenem Code werden getötet, Zellen mit repariertem Code werden implantiert.
Generell scheint die gezielte Manipulation einzelner Zellen derzeit die interessanteste Anwendung aller neuen biotechnologischen Instrumente zu sein. Und dies ist bei menschlichen Zellen bei weitem nicht der Fall.
Das Amerikanerin Frances Arnold erhielt 2018 einen Nobelpreis für ein Verfahren namens Gerichtete Evolution. Zellen, meist Bakterien, werden wiederholt gezielt mutiert. Aus den Ergebnissen werden einige Kandidaten ausgewählt, die zur Mutation zurückgebracht werden sollen, und so weiter. Ziel ist es, Zellen zu schaffen, die dann auf Befehl bestimmte Substanzen produzieren. Derzeit basieren Gentechnik und Biotechnologie in vielen Fällen auf langen Ketten von Versuch und Irrtum.
Dinge, die Zellen noch nie getan haben
Wir Menschen haben am Anfang seit Tausenden von Jahren Zellen für uns arbeiten lassen, ohne es zu wissen: Denken Sie nur an die Rolle, die fleißige, unsichtbare Mikroorganismen bei der Herstellung von Brot, Bier, Joghurt, Käse oder Alkohol spielen. Speziell für diesen Zweck gezüchtete Zellen arbeiten jedoch seit Jahrzehnten für uns. Beispielsweise wurde bereits künstliches Insulin verwendet Ende der 1970er Jahre erstmals gentechnisch hergestellt.
Sie können aber auch Zellen erzeugen, die Substanzen produzieren, die es in der Natur noch nie gegeben hat. Frances Arnold und ihre Kollegen haben beispielsweise mit ihrer kontrollierten, beschleunigten Zellentwicklung bereits bemerkenswerte Durchbrüche erzielt. Zum Beispiel haben sie es Es werden Zellen hergestellt, die Kohlenstoff, die Grundsubstanz in allen lebenden Organismen, mit Silizium, der Grundsubstanz in allen Computern, kombinieren können.
Solche Bindungen kommen in der Natur noch nicht vor. “Wir entdecken im Labor, dass die Natur Chemie beherrscht, von der wir nicht zu träumen gewagt hätten”, sagte Arnold 2016 gegenüber der New York Times. Der Mensch lässt Zellen jetzt Dinge tun, die Zellen noch nie zuvor getan haben.
400 Milliarden US-Dollar Umsatz pro Jahr
Die Produktion von Organismen, die auf Befehl die gewünschten Substanzen produzieren, ist seit langem ein großes Geschäft. Allein in Die Vereinigten Staaten haben Biotechnologieunternehmen hatte bereits 2017 einen Umsatz von 400 Milliarden US-Dollar. Das entspricht zwei Prozent des Bruttoinlandsprodukts.
Dieses Geschäft wird auch immer lukrativer, denn neben der raschen Entwicklung von Werkzeugen, für die Nobelpreise eine Hommage darstellen, findet eine weitere wissenschaftliche und technische Revolution statt: Weil DNA nichts als Software istAls Daten interagiert die wachsende Macht des Menschen über Gene mit der wachsenden Macht, die Maschinen uns geben.
Die derzeit stattfindende biotechnologische Revolution ist von der Öffentlichkeit weitgehend unbemerkt geblieben nicht zuletzt eine Folge der exponentiellen Verbesserung der Informationstechnologie. Die Beziehung zwischen Genen und Proteinen ist so komplex, dass es unmöglich ist, sie ohne Computer zu untersuchen. Und in letzter Zeit können Maschinen nicht nur rechnen, sondern auch lernen.
Sie können Computer auch mit Gencode hacken
Gencode ähnelt in mancher Hinsicht der Computersoftware, bei der Filme, Texte oder Musikdateien in DNA-Form gespeichert werden können. Umgekehrt können Sie mit etwas Mühe sogar Laborcomputer mit manipulierter DNA hacken.
Die nächsten großen Durchbrüche in der Biotechnologie dürften viel mit dieser neuen Stärke der Lernmaschinen zu tun haben. Im Februar gab es eine brandneue in der Zeitschrift “Cell” Antibiotika gegen einen multiresistenten Krankenhauskeim hilft. Es wurde gesucht und gefunden mit einer Lernmaschine, in einem riesigen Heuhaufen potenzieller Kandidaten.
Wer weiß, vielleicht entwickelt sich eines Tages ein Bakterium auf diese Weise, das Mikroplastik abbaut oder CO₂ frisst. Aber werden wir es auch benutzen?
Unser Gehirn ist viel zu langsam
Die Fähigkeit des Menschen, Informationen zu verarbeiten, ist zu gering, unser Gehirn ist viel zu langsam, um das unglaublich komplexe Zusammenspiel von Genen und Proteinen wirklich zu durchdringen. Frances Arnold sieht das übrigens auch so.
Drei Jahre nach der Kohlenstoff-Silizium-Studie veröffentlichten Arnold und ihre Kollegen mehrere Artikel mit der Dissertation, dass die Methode, für die Arnold den Nobelpreis erhielt ist einfach nicht gut genug: “Welche Technik auch immer Sie zur Diversifizierung verwenden [der getesteten Zellen] Benutzt, Directed Evolution kEs kostet immer viel Energie, Zeit und Material, und es kann viele Generationen dauern, bis eine spürbar verbesserte Leistung erzielt wird. “”
Der zitierte Artikel, einer von mehreren, die die Gruppe jetzt zu diesem Thema veröffentlicht hat, bietet ebenfalls eine Lösung: maschinelles Lernen. Ihr Team lässt jetzt Maschinen nach den besten Kandidaten für die nächste Runde suchen.
Fabriken voller autonomer Roboter
Maschinen kommen übrigens mit Vorschlägen, die ihre Benutzer sich nicht mehr richtig erklären können. Zitat: “Auf maschinellem Lernen basierende Modelle von Proteinfunktionen können Vorhersagen ermöglichen, auch wenn die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht gut verstanden sind.”
Mittlerweile gibt es verschiedene Unternehmen, in denen biotechnologische Experimente nicht nur vollautomatisch von Robotern durchgeführt werden – Lernmaschinen gestalten die Testanordnungen auch unabhängig voneinander. Das in Boston ansässige Unternehmen Ginkgo Bioworks wirbt beispielsweise mit dem Satz: “Wir automatisieren das Design von Organismen.” Seine “Biofabriken” sind Sammlungen autonom funktionierender Laborroboter.
Maschinen, die Maschinen steuern, die dann lebende Organismen erzeugen.
“Zombie-Enthusiast. Internet-Liebhaber. Wegbereiter für böses Essen. Freundlicher Bier-Evangelist.”
