Crispr / Cas9: Die Revolution der Biotechnologie beginnt gerade – Kolumne
Der Mensch hat längst in die Evolution eingegriffen. Zuerst mit Multiplikation, dann mit gezielter Manipulation des Erbguts. Jetzt werden zum Teil neue Organismen entworfen. „in Kieselsäure„wie es jetzt heißt, mit anderen Worten: auf dem Computer.
Es funktioniert sehr gut, weil DNA Software ist. Wir wissen jedoch immer noch sehr wenig darüber, welche Teile des Codes was genau tun. Die Erforschung der komplexen Wechselwirkung zwischen unserer Zellsoftware und -hardware ist die Herkulesaufgabe der Biochemie, Mikrobiologie und Bioinformatik in den kommenden Jahrzehnten. Welcher Teil der DNA ist das Projekt für welches von vielleicht Hunderttausenden verschiedener Proteine in einem Körper? Proteine sind die Grundbausteine des Lebens.
Von Zeit zu Zeit werden Erfinder von Werkzeugen für diese neue Biowissenschaft erfunden Verleihung des Nobelpreises, circa 1993 und 2002. Ohne die von Kary Mullins erfundene Polymerasekettenreaktion (PCR) gäbe es beispielsweise keine zuverlässigen Kronentests. Er hat dieses Werkzeug erst vor 37 Jahren erfunden. Die Wissenschaft vom Leben selbst entwickelt sich rasant. Aber jetzt geht es wirklich weiter.
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 hat Crispr / Cas9 gemacht Dies gibt der Menschheit die Möglichkeit, die Software, die sich in lebenden Zellen befindet, spezifisch umzuschreiben.
Es kann verwendet werden, um einzelne Gene zu entfernen oder auszuschalten, aber auch um neue Gensequenzen in lebende Zellen einzufügen. Beeinträchtigen Sie direkt den Programmcode, der für Milliarden von Jahren der Evolution erstellt wurde. Mit einer gewissen Fehlerwahrscheinlichkeit.
Dies ist unter Umständen genauso gefährlich, wie es sich anhört: Gerade weil wir noch so wenig über die Verbindung zwischen Gerät und Software in unseren Zellen wissen. Es gibt viele potenzielle Risiken und Nebenwirkungen. Aus diesem Grund gab es einen weltweiten Protest, als der chinesische Forscher He Jiankui 2018 bekannt gab, dass er mit Hilfe von Crispr / Cas9 zwei menschliche Embryonen modifiziert und eine Frau Zwillinge zur Welt gebracht hatte. Er wurde schließlich zu drei Jahren Gefängnis und einer hohen Geldstrafe verurteilt.
Zellen mutieren, sortieren, mutieren, sortieren …
Aber die Versuchung, mit dem Genom lebender Menschen zu experimentieren, wird nicht nachlassen. Andere, weniger brutale Methoden, wie die Unterstützung von Patienten mit Crispr, sind vielversprechend. Wie experimentelle Therapien bei Sichelzellenanämie und Hunter-Syndromdie mit Hilfe von Cirspr entwickelt wurden.
Im Gegensatz zu Embryo-Experimenten wird nicht der gesamte Organismus genetisch manipuliert, sondern nur sehr spezifische Stammzellen, die beispielsweise für die Produktion von Blutbestandteilen verantwortlich sind. Gebrochene Codezellen werden zerstört, reparierte Codezellen werden gepflanzt.
Insgesamt scheint die gezielte Manipulation einzelner Zellen derzeit die interessanteste Anwendung aller neuen biotechnologischen Instrumente zu sein. Dies gilt bislang nicht nur für menschliche Zellen.
Amerikanerin Frances Arnold erhielt 2018 einen Nobelpreis für ein Verfahren namens Gerichtete Evolution. Zellen, hauptsächlich Bakterien, mutieren wiederholt gezielt. Aus den Ergebnissen werden einige Kandidaten ausgewählt, um zur Mutation usw. zurückzukehren. Ziel ist es, Zellen zu schaffen, die dann auf Befehl bestimmte Substanzen produzieren. Gegenwärtig basieren Gentechnik und Biotechnologie in vielen Fällen auf langen Ketten von Versuch und Irrtum.
Dinge, die Zellen noch nie getan haben
Wir Menschen haben Zellen für uns lange Zeit funktionieren lassen, zunächst seit Tausenden von Jahren, ohne es zu merken: Denken Sie nur an die Rolle, die unermüdliche, 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.
Es können aber auch Zellen entstehen, die Substanzen produzieren, die es in der Natur noch nie gegeben hat. Frances Arnold und ihre Kollegen haben zum Beispiel mit ihrer kontrollierten und beschleunigten Zellentwicklung bereits enorme Fortschritte gemacht. Zum Beispiel haben sie Es werden Zellen hergestellt, die Kohlenstoff, die Grundsubstanz aller lebenden Organismen, mit Silizium, der Grundsubstanz aller Computer, kombinieren können.
Solche Verbindungen treten in der Natur noch nicht auf. „Wir entdecken im Labor, dass die Natur eine Chemie besitzt, von der wir nicht zu träumen gewagt hätten“, sagte Arnold der New York Times im Jahr 2016. 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 die gewünschten Substanzen unter Kommando produzieren, ist seit langem ein großes Geschäft. Nur wir Die USA haben Biotechnologieunternehmen hat im Jahr 2017 bereits 400 Milliarden US-Dollar zurückgegeben. Dies entspricht zwei Prozent des Bruttoinlandsprodukts.
Dieses Geschäft wird auch immer profitabler, weil neben der raschen Entwicklung der Werkzeuge, für die der Nobelpreis gefeiert wird, eine zweite wissenschaftliche und technische Revolution stattfindet: Weil DNA nichts anderes als Software istAls Daten interagiert die wachsende Macht des Menschen über Gene mit der zunehmenden Macht, die Maschinen uns geben.
Die derzeit stattfindende biotechnologische Revolution ist von der Öffentlichkeit weitgehend unbemerkt geblieben nicht zuletzt aufgrund der exponentiellen Verbesserung der Informationstechnologie. Die Beziehungen zwischen Genen und Proteinen sind 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 ist in mancher Hinsicht Computersoftware so ähnlich, dass Filme, Texte oder Musikdateien in Form von DNA gespeichert werden können. Umgekehrt können Sie mit einem gewissen Aufwand sogar Laborcomputer mit manipulierter DNA rächen.
Andere wichtige Fortschritte in der Biotechnologie dürften viel mit dieser neuen Kraft der Lernmaschinen zu tun haben. Diesen Februar gab es eine neue Marke in der Zeitschrift „Cell“ Das Antibiotikum wird gegen einen sehr resistenten Krankenhauskeim präsentiert hilft gesucht und gefunden mit Hilfe einer Lernmaschinein einem großen Strohhalm potenzieller Kandidaten.
Wer weiß, vielleicht entwickelt sich eines Tages ein Bakterium auf diese Weise, das Mikroplastik abbaut oder CO₂ frisst. Aber wollen wir es auch benutzen?
Unser Gehirn ist sehr langsam
Die Fähigkeit des Menschen, Informationen zu verarbeiten, ist sehr gering. Unser Gehirn ist zu langsam, um die unglaublich komplexe Interaktion von Genen und Proteinen wirklich zu durchdringen. Zufälligerweise sieht es auch Frances Arnold so.
Drei Jahre nach dem Studium von Kohlenstoff-Silizium veröffentlichten Arnold und ihre Kollegen mehrere Artikel über die These, dass die Methode, für die Arnold den Nobelpreis erhielt, ist einfach nicht gut genug„Jede Technik, die Sie zur Diversifizierung verwenden [der getesteten Zellen] benutzt, Gerichtete Evolution k„Es braucht immer viel Energie, Zeit und Material und es kann viele Generationen dauern, um eine deutlich verbesserte Leistung zu erzielen.“
Der zitierte Artikel, einer der wenigen, den die Gruppe seit diesem Thema veröffentlicht hat, bietet ebenfalls eine Lösung: maschinelles Lernen. Ihr Team sucht jetzt nach Maschinen für die besten Kandidaten für die nächste Runde.
Fabrik voller autonomer Roboter
Maschinen, die übrigens Vorschläge machen, die ihre Benutzer sich nicht mehr richtig erklären können. Zitat: „Modelle, die auf maschinellem Lernen von Proteinfunktionen basieren, können Vorhersagen ermöglichen, selbst wenn die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht gut verstanden sind.“
Mittlerweile gibt es verschiedene Unternehmen, in denen biotechnologische Experimente nicht nur automatisch von Robotern durchgeführt werden – Lehrmaschinen entwerfen auch unabhängig voneinander Probenarrangements. Das in Boston ansässige Unternehmen Ginkgo Bioworks wirbt beispielsweise mit dem Satz „Wir automatisieren die Körpermodellierung“. Die „Biofabriken“ sind Sammlungen autonomer Laborroboter.
Maschinen, die Maschinen steuern, die dann lebende Organismen erzeugen.
Johanna Richter schreibt für Technik-smartphone-news.de über aktuelle Nachrichten aus den Bereichen Politik, Wirtschaft, Technologie, Sport, Unterhaltung und Lifestyle. Ihr Fokus liegt auf einer klaren, verständlichen Berichterstattung, die relevante Entwicklungen und Themen für Leserinnen und Leser einordnet. Sie legt Wert auf sachliche Informationen, aktuelle Ereignisse und gut recherchierte Inhalte, die dabei helfen, wichtige Nachrichten und Trends im Alltag besser zu verstehen.
