Synthetische Biologie

Thesen zur Synthetischen Biologie
Natur konstruieren?
Trends und Potenziale in der Synthetischen Biologie
- Auftaktworkshop 28. und 29. April, Bremen
SynBioTA – Innovations- und Technikanalyse zur Synthetischen Biologie
Kernfragen und Ziele des Workshops
!! Die Kernfragen:
–! Was zeichnet Synthetische Biologie aus und wie ist sie strukturiert?
–! Was kann Synthetische Biologie derzeit und wohin entwickelt sie
sich?
–! Welches sind die zukunftsträchtigen Entwicklungs- und
Anwendungsfelder?
!! Das Ziel:
–! Erarbeitung einer Definition und Strukturierung
–! Bestimmung des gegenwärtigen Entwicklungsstands
–! Abschätzung der mittelfristigen Perspektiven und des Zeitraums
ihrer Realisierung
o! wissenschaftlich-technisch
o! Markttrends
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Definition
!! Warum?
–! uneinheitliche Definitionen
–! unklare Abgrenzungen (z.B. vs. Gentechnik)
–! Bedeutung für Identität der Community
!! Mögliche Bausteine:
–! beitragende Disziplinen
–! verfolgte Ziele
–! angewandte Methoden
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Definition
!! Disziplinen
Biologie
Bioinformatik
•!Molekularbiologie
•!Genetik/Genomik
•!Gentechnik
•!Systembiologie
•!Zellbiologie
Biochemie
Synthetische
Biologie
Mathematik
Nanobiotechnologie
Organische
Chemie
Quelle Abbildung: eigene Darstellung
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Definition
!! Ziele
–! Schaffung lebendiger, in der Natur nicht existierender (künstlicher)
biologischer Systeme und Komponenten
–! Realisierung neuer Eigenschaften, Funktionen, Anwendungen und
Produkte
–! Verbesserung der Stabilität und Prognostizierbarkeit biologischer
Systeme
–! Aufklärung der fundamentalen Strukturen und Mechanismen
lebender Systeme (Grundlagenforschung)
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Definition
!! Methoden und Prinzipien
–! Übertragung ingenieurwissenschaftlicher Prinzipien:
o! Standardisierung biologischer Grundeinheiten
o! Reduktion der Komplexität biologischer Systeme
–! Neuerschaffung biologischer Systeme
–! Umgestaltung biologischer Systeme
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Strukturierung
!! Charakteristische Herangehensweise
–! „top-down“ Ansatz – Reduktion von Komplexität (Minimalgenom,
Minimalzelle)
–! „bottom-up“ Ansatz – Aufbau aus einfachen Komponenten
(Protozelle)
–! Entwicklung standardisierter, austauschbarer Komponenten
–! Schaffung und Einbindung von nicht-natürlichen Molekülen
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Quelle Abbildung: eigene Darstellung
Strukturierung
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Umsetzung von Ingenieurprinzipien
!! Die Anwendung von Ingenieursprinzipien
(Modell ! Design ! Prototyp)
gehört zum Kern der Definition und des
Selbstverständnisses der Synthetischen Biologie.
Gemessen daran definiert sich die Synthetische Biologie
derzeit jedoch noch eher durch das, was sie beabsichtigt,
als durch das, was sie tut.
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Umsetzung von Ingenieurprinzipien
photographed by Kristian Peters
–! ingenieurwissenschaftlicher Ansatz
" Überwindung des „Herumprobierens“
–! Komplexitätsreduktion durch
Orthogonalität
–! Aber: Erfüllen die bisherigen
Anwendungsbeispiele der Synthetischen
Biologie diesen Anspruch?
Einjähriger Beifuß (Artemisia annua)
Quelle: Ro et al., 2006
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Naturfremd vs. naturidentisch
!! Allein Ansätze zur Erzeugung von Protozellen ohne
natürliches Gegenstück bzw. die Verwendung
xenobiologischer molekularer Grundeinheiten entsprechen
dem Anspruch des Synthetischen bzw. des Synthetisierten.
!! Die Verwendung des Begriffs des „Synthetischen“ ist in der
Synthetischen Biologie in ähnlicher Weise zu verstehen wie
die Verwendung dieses Begriffs bei der „Synthetischen
Chemie“.
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Naturfremd vs. naturidentisch
!! Kern der Frage: Was heißt „synthetisch“?
–! naturfremd oder naturidentisch
–! neu geschaffen oder neu zusammengesetzt
!! keine akademische Spielerei
!! weitreichende Konsequenzen
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Naturfremd vs. naturidentisch
Verständnis des „Synthetischen“
Auswirkungen
auf die
Synthetische
Biologie als
Wissenschaftsund Technikfeld
„naturfremd “
„naturidentisch“
Alleinstellungsmerkmal
ja
eher nein
Innovationshöhe
hoch
niedrig
Innovationspotenzial
hoch
niedrig
Realisierung von
Anwendungen
langfristig
kurz- bis
mittelfristig
Quelle: eigene Darstellung
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„Synthetische Biologie“ als „buzzword“
!! „Synthetische Biologie“ ist kein wirklich neues Feld,
sondern nur ein neues „buzzword“, also ein neuer
Überbegriff zur Vermarktung altbekannter Methoden.
–! Parallelen zu „Nanotechnologien“ oder zu „Nachhaltigkeit“
o! diffuser „Umbrella“-Begriff
o! „Re-labeling“ traditioneller Forschungszweige
–! strategische Verwendung des Begriffs zur Erhöhung der
Förderchancen
–! „[...] biotechnology is the nanotechnology that works“
(Morange, M., 2009)
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Proof-of-Principle
!! Ein Proof-of-Principle ist bisher noch nicht gelungen.
1)
2)
2)
1)! Hale, V., et al., 2007
2)! Gibson, D.G., et al., 2010
1)
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Proof-of-Principle
!! Maßstab: ingenieurmäßige Konstruktion aus chemischen
Grundbausteinen
!! bisher eher traditionelle Vorgehensweise (vor allem
Gentechnik)
–! Genomsynthese, -modifikation und -transplantation zur
Realisierung eines quasi-synthetischen Organismus
(Gruppe um J. C. Venter)1
–! Artemisinin-(Säure)-Produktion in Mikroorganismen durch
Genmanipulation und –transplantation
(Gruppe um J. D. Keasling)2
!! quantitative Fortschritte und inkrementelle Erhöhung der
beherrschbaren Komplexität
!! allerdings kein qualitativer Sprung
1)! Gibson, D.G. et al., 2010
2)! Ro, D.K.et al., 2006
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Neue Design-Prinzipien
The LEGO Group
The LEGO Group
!! Aufgrund der bisherigen Vorgehensweise stagniert die
Entwicklung der Synthetischen Biologie hinsichtlich der
Bewältigung der Komplexität der entwickelten Systeme.
Daher müssen neue Design-Prinzipien entwickelt werden.
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Neue Design-Prinzipien
!! sog. „Hochsprachen“ lösten zeichnerische Konstruktion
von Schaltkreisen bei Chipdesign ab
!! verlässliches Design (Einbeziehung des Systemverhaltens)
wird für die Synthetische Biologie als eine der
Hauptaufgaben für die Zukunft beschrieben
agilent-systemvue-2008
–! „Nevertheless, de novo design
of circuits able to reproduce a
target function is not an easy task
and its automation represents a
major challenge in Synthetic
Biology.“
(Marchisio & Stelling, 2011)
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Erwartungen und Erfolge
!! Die Synthetische Biologie läuft Gefahr, ihren eigenen
Ansprüchen und den geweckten Erwartungen nicht gerecht
zu werden. Sie muss in den kommenden Jahren sichtbare
Erfolge und konkrete Anwendungen vorweisen, um nicht
die Unterstützung von Politik und Gesellschaft zu verlieren.
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Erwartungen und Erfolge
!! Eigene Ansprüche
–! „We are in the early period of a new revolution [verglichen mit der
‚synthetic chemistry revolution‘] referred to as the ‚synthetic biology‘
revolution.“ (Singh, 2011)
–! „These re-engineered organisms will change our lives over the
coming years, leading to cheaper drugs, 'green' means to fuel our
cars and targeted therapies for attacking 'superbugs' and diseases,
such as cancer.“ (Khalil & Collins, 2010)
–! „We argue here that, in addition to its applications, synthetic biology
is and will become an increasingly powerful discovery tool for
understanding the organization and function of cellular networks
and other complex biological systems.“ (Bashor et al., 2010)
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Erwartungen und Erfolge
!! Geweckte Erwartungen
Tabelle: „major areas, and associated applications, where there is either commercial activity or collaboration
between industry and academia in synthetic biology“ (The Royal Academy of Engineering, 2009)
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Erwartungen und Erfolge
!! Erfolge
–! gemessen an den Ansprüchen und Erwartungen derzeit noch
o! eher klein
o! in weiter Ferne
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Natur – Technik – Kultur
!! Die Synthetische Biologie hat das Potential, den
Antagonismus von Natur und Technik zu überwinden und
eine bessere, umfassendere Natur/Technik/Kultur zu
schaffen.
Max Ernst
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Natur – Technik – Kultur
!! Quantensprung im Verständnis zellbiologischer und
molekular-ökologischer Vorgänge
!! Überwindung der Abhängigkeit von zufälliger Evolution
(Designprozess, alternative Erbinformations-Moleküle)
–! robustere und effizientere biologische Systeme
–! verlässliche, kontrollierbare Parallelnatur
#! Das Design von Lebewesen als neue
Kunstform überwindet die Grenzen zwischen
belebter Natur und menschlicher Technik,
beschränkt allein von unserer
Vorstellungskraft.
(Grolle 2010, Khalil & Collins 2010)
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Konzentration auf marktträchtige
Anwendungsfelder
!! Die Forschung und Entwicklung der Synthetischen Biologie
wird sich vor allem auf marktträchtige Anwendungsfelder
wie Energiegewinnung und Medizin konzentrieren, da dort
die wirtschaftlichen Potentiale besonders offensichtlich und
vielversprechend sind.
Daher besteht die Gefahr, dass Chancen in anderen
Anwendungsfeldern, die zwar kurzfristig wirtschaftlich
unattraktiv, gesellschaftlich aber bedeutsam sind,
ungenutzt bleiben.
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Konzentration auf marktträchtige
Anwendungsfelder
Die Zeit Nr. 32/2009
!! Biologie wird zur angewandten
Ingenieurswissenschaft
(Ball et al. 2005, Szostak et al. 2001)
!! Anwendungsbezug fordert ...
–! Bedarf und
–! monetäre, lukrative Nachfrage.
!! Bedarf zeigt sich in den gesellschaftlichen Problemfeldern
–!
–!
–!
–!
–!
Energie
Nahrung
Wasser
Gesundheit
Umwelt
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Konzentration auf marktträchtige
Anwendungsfelder
ExxonMobile
Energy BioScience Institute:
www.post-carbonliving.com
!! Beispielhafte Investitionen in die Synthetische Biologie
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Konzentration auf marktträchtige
Anwendungsfelder
!! Möglicherweise Vernachlässigung anderer
(gesellschaftlich) relevanter Anwendungsfelder
–! Umwelttechnik (Remediation, Sensorik und Dekontamination
–! seltene Krankheiten bzw. Tropenkrankheiten
http://www.teleboerse.de
!! Müsste nicht die Grundlagenforschung zunächst intensiver
betrieben werden?
Auf welches Pferd sollte gesetzt werden?
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Leben erschaffen – „bottom-up“
!! Es wird in nächster Zeit nicht möglich sein, Leben aus
getrennten molekularen Bestandteilen „bottom-up" zu
erzeugen.
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Leben erschaffen – „bottom-up“
!! Probleme
–! Netzwerkkomplexität (Noireaux et al., 2011)
–! Rauschen: bereits in frühem Stadium
der Synthetischen Biologie thematisiert
(Elowitz & Leibler, 2000)
Quelle Abbildungen: Agapakis & Silver, 2009
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Leblose Systeme aus Biomolekülen
openwetware.org / Univ. Tsukuba
!! Die Synthetische Biologie steuert auf ein Dilemma zu. Sie
wird nicht über physikalisch-chemische Systeme aus
Biomolekülen hinauskommen – die Resultate werden leblos
bleiben und sich in das Feld der Nanotechnologie
einordnen.
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Leblose Systeme aus Biomolekülen
!! Komplexität lebender Zellen im prinzipiellen Widerspruch zu
Ansätzen von Standardisierung und Prognose
–! Verstärkung von Genexpressions-Schwankungen durch analoge
Signalweitergabe
–! Mutation und evolutive Veränderung in lebenden
Zellgemeinschaften
!! " Zugunsten von Kontrolle und Zuverlässigkeit wird sich
die Synthetische Biologie mit leblosen Nanomaschinen aus
Biomolekülen zufrieden geben müssen.
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Umgang mit Rauschen
Quelle Abbildung: Eldar & Elowitz, 2010
!! Die derzeitig betriebenen Ansätze der Synthetischen
Biologie zielen eher darauf ab, das Rauschen (Toleranzen,
Oszillationen, Gradienten) auszuschließen. Die Natur geht
jedoch erfolgreich mit dem Rauschen um und ist in der
Evolution sogar darauf angewiesen.
(Cagatay et al., 2009), (Eldar & Elowitz, 2010)
Die Integration und die Nutzung
des Rauschens sind daher
zielführender als der Versuch
seiner Eliminierung.
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Umgang mit Rauschen
!! zu Umgang mit Komplexität gehört in der Synthetischer
Biologie auch die Beschäftigung mit dem Rauschen
! Fehlerbearbeitung statt Fehlervermeidung?
!! Rauschen kann auch produktiv sein:
–! Differenzierung
–! Evolution
(Eldar & Elowitz, 2010)
!! ! Abgewogenes Verhältnis von Konstruktion und
Anpassung nötig?
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Literatur
Ball, P., 2005, "Synthetic biology for nanotechnology", Nanotechnology, vol. 16, pp. R1.
Benner, S.A. & Sismour, A.M., 2005, "Synthetic biology", Nature Reviews Genetics, vol. 6, no. 7, pp. 533-543.
Cagatay, T., Turcotte, M., Elowitz, M.B., Garcia-Ojalvo, J. & Suel, G.M., 2009, "Architecture-dependent noise discriminates
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de Lorenzo, V. 2009, "Recombinant bacteria for environmental release: what went wrong and what we have learnt from it", Clinical
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DFG, a., Leopoldina, 2009, Synthetische Biologie - Stellungnahme.
Eldar, A. & Elowitz, M.B., 2010, "Functional roles for noise in genetic circuits", Nature, vol. 467, no. 7312, pp. 167-173.
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Gibson, D.G., Glass, J.I., Lartigue, C., Noskov, V.N., Chuang, R.Y., Algire, M.A., Benders, G.A., Montague, M.G., Ma, L., Moodie,
M.M., Merryman, C., Vashee, S., Krishnakumar, R., Assad-Garcia, N., Andrews-Pfannkoch, C., Denisova, E.A., Young, L., Qi,
Z.Q., Segall-Shapiro, T.H., Calvey, C.H., Parmar, P.P., Hutchison, C.A., Smith, H.O. & Venter, J.C., 2010, Creation of a Bacterial Cell
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Literatur
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