Auf dem Weg zu künstlich hergestelltem Leben – Von Designer-Bakterien zum Designer-Menschen?

Die Genschere CRISPR ist unterdessen in aller Munde. So hat die Nachricht Ende November 2018, als der chinesische Forscher He Jiankui erklärte, zwei Embryonen gentechnisch verändert zu haben, um sie vor HIV zu schützen und dann in die Gebärmutter einer Frau eingepflanzt zu haben, die daraufhin genveränderte Zwillinge („CRISPR-Babys“) zur Welt gebracht hat, die Welt weit über die Forschergemeinde hinaus schockierte. Es handelte sich um den ersten gentechnologischen Eingriff in die menschliche Keimbahn. Doch längst hat sich daneben ein neues Furcht wie Ehrfurcht einflössendes biologisches Feld etabliert: die Herstellung künstlichen Lebens. Oder konkret: die Synthese künstlicher Gensequenzen zwecks Erforschung biologischer Phänomene oder zur Herstellung neuer Biomoleküle. Wie CRISPR hat auch dieses Feld ein riesengrosses Potenzial, sowohl verbleibende Geheimnisse des Lebens zu entschlüsseln und damit ganz neue technologische Horizonte zu eröffnen, als auch eine Vielzahl von störenden Fragen aufzuwerfen – wissenschaftliche und technologische sowie philosophische und ethische.

Als der umstrittene Gentechnik-Pionier Craig Venter vor neun Jahren bekanntgab, erstmals einen kompletten Organismus ausschließlich mit künstlichem Erbgut erschaffen zu haben, war die Medienresonanz noch recht überschaubar. Konkret war es Venters Team im Mai 2010 gelungen, ein künstliches Genom komplett im Labor zu bauen und in eine zuvor von seiner natürlichen DNA befreite Zelle des Bakteriums Mycoplasma capricolum zu implantieren. Es war ein Meilenstein in der modernen Gentechnik, der sogleich mit dem großen Menschheitstraum der Erschaffung künstlichen Lebens in Verbindung gebracht wurde. „Life from scratch“ („Leben vom Reißbrett“) heisst seitdem das Ziel der Genforscher. Nicht viel mehr öffentliche Aufmerksamkeit erzielten knapp vier Jahre später US-amerikanische Forscher um den Biologen Jef Boeke, nachdem sie ein komplettes Chromosom der Hefe mit einigen künstlichen Modifikationen im Reagenzglas nachgebaut hatten. Bei der Hefe handelt es sich um einen sogenannten Eukaryoten, also ein Lebewesen mit Zellkern (Bakterien haben noch keinen eigenen Zellkern, man nennt sie daher “Prokaryoten“). Deren Erbgut ist weitaus komplexer und vor allem deutlich umfangreicher als das der Bakterien und Viren in den Studien Venters. Unterdessen hat Boekes Team bereits sechs Chromosomen künstlich hergestellt und steht wohl kurz davor, den gesamten Satz von 16 Chromosomen der Hefe nachzubauen.

Die hinter den Arbeiten Venters und Boekes steckende Methode der Erzeugung neuen, künstlichen Lebens ist im Prinzip sehr einfach: Aus einer Datenbank von vielen Millionen Genen simulieren die Geningenieure mit dem Computer die Eigenschaften einer sehr grossen Zahl möglicher, in der Natur noch nicht realisierter Genkombinationen. Daraus werden Genomsätze mit bestimmten erwünschten Eigenschaften identifiziert, anschließend chemisch synthetisiert und maschinell hergestellt, bevor sie zuletzt in den von seinem ursprünglichen Genom befreiten Zellkern des Ziel-Lebewesens eingeführt werden. Die chemische Synthese entspricht dabei dem Zusammensetzen von Legostücken: Man fügt einfach die berechnete Sequenz aus den vier Nukleinbasen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) zusammen. Am Computer entworfen und durch Maschinen im Labor zum Leben erweckt – so lässt sich die Schöpfungsgeschichte der neuen Lebewesen einfach zusammenfassen. Die Gentechnologen sprechen auch von „DNA printing“. Die mit der künstlichen DNA versehene Zelle stellt dann ganz wie natürliche Zellen Kopien dieser DNA her.

An dieser Stelle sei vermerkt: Das heisst nicht, dass es sich hier um eine komplette künstliche Zelle handelt (Venter damaligen Behauptungen waren in dieser Hinsicht etwas missverständlich). Zwar enthält die künstlich hergestellte DNA-Sequenz die Informationen für alle Proteinsynthesen innerhalb eines Lebewesens, doch erfolgen diese immer im Kontext der umgebenden Zelle und des Kulturmediums, in welchem sich diese befindet. Ohne die Zelle wäre die DNA nicht mehr als eine Ansammlung kohlenstoffhaltigen Materials, so wie Software nur eine Aneinanderreihung von Codezeilen, die erst auf einer Hardware umgesetzt werden muss, um seine Macht in einem Computer zu entfalten. Venter sprach nach seinem Erfolg daher von einer neuen „digitalen Ära“ in der Biologie, in der DNA als „Software des Lebens“ beliebig programmiert werden kann, um Mikroorganismen nach Bedarf zu schaffen. Diese könnten dann zielgenau gewünschte Aminosäuresequenzen, d.h. Proteine herstellen, die beispielsweise die Produktion neuer Medikamente ermöglich, die bisher wenn überhaupt nur sehr aufwendig und teuer herzustellen sind. Dass Mikroorganismen Arzneien erzeugen, ist im Übrigen gar nichts Ungewöhnliches. Schon heute stellen gentechnisch veränderte Bakterien das Hormon Insulin her, mit dem Diabetiker ihren Blutzuckerspiegel regulieren.

Doch der Ehrgeiz der Gentechniker geht bereits viel weiter: Sie wollen nichts weniger als die Programmiersprache des Lebens zu nutzen lernen, um bessere Genome herzustellen als die Natur dies getan hat. Denn durch das Neu-Schreiben von DNA lässt sich im Prinzip jede Form von biologischen Daten codieren. Dies könnte ganz neuartige Organismen ermöglich, und dies mit sehr realem Nutzen: Die Gentechniker erhoffen sich erwähnte Anwendungen in der Medizin (neue Medikamente), aber auch Applikationen in der Energieerzeugung (z.B. Strom erzeugende Bakterien) oder Nahrungsmittelproduktion bzw. Landwirtschaft.

Nun ist ein weiterer Meilenstein in der künstlichen DNA-Synthese geglückt: Wissenschaftler um Jason Chin von der englischen Cambridge University ist es gelungen, Bakterien des Typs Escherichia coli, also Kolibakterien, wie sie in unserem Darm vorkommen (und die gleichen, die Biochemiker für die Insulinproduktion verwenden), mit einem komplett synthetischen Erbgut auszustatten (J. W. Chin, Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome, Nature, Volume 569, S. 514–518 (15 Mai 2019)). Es ist das bisher grösste künstliche Erbgut, das in ein Bakterium eingesetzt wurde und umfasst vier Mal so viele DNA-Bausteine wie Venters Bakterien. Das wirklich Aussergewöhnliche an dieser neuen Arbeit aber ist: Der neue Organismus kommt mit weniger genetischer Informationen aus als natürliche Organismen. Die Gentechniker sprechen von einer „Neu-Kodierung“ (recoding) des Genoms. Natürliche Zellen nutzen 64 verschiedene Dreierkombinationen aus den die vier Nukleinbasen A, C, G und T (es gibt 64 – vier hoch drei – Dreier-Kombinationen aus den vier Basen) für die Kodierung der 20 für das Leben notwendigen Aminosäuren (die sogenannten „kanonischen Aminosäuren“), aus denen alle Proteine, die natürliche Organismen zu produzieren vermögen, zusammengesetzt sind. Mit anderen Worten, eine Dreierkombination aus den vier Nukleinbasen (ein sogenanntes „Codon“) steht jeweils für eine Aminosäure. Bemerkenswerterweise verwenden alle Lebewesen den gleichen genetischen Code: Jede Aminosäure wird immer durch den gleichen Codon repräsentiert. Bei 64 möglichen Dreierkombinationen für 20 Aminosäuren (plus einem Stopp-Codon) ist dieser „Erb-Code der Natur“ stark redundant, d.h. viele Aminosäuren werden gleich durch mehrere verschiedene Codons abgebildet. Die Natur leistet sich also in gewisser Weise einen grossen Luxus (der Grund liegt wohl u.a. darin, dass sich so Fehler der Kodierung bei der Zellteilung, so genannte Mutationen, in vielen Fällen weniger stark bzw. kritisch auf den Organismus auswirken). Theoretisch könnte das Leben auch mit einem Codon für genau eine Aminosäure auskommen. Alle anderen, jeweiligen redundanten Codons könnten durch dieses eine Codon ersetzt werden. Das synthetische Erbgut des neuen künstlichen Bakteriums haben die Forscher um Chin nun konkret so verändert, dass es mit nur 61 Codons alle nötigen Aminosäuren produziert. Damit bleibt im Genom Platz für die Kodierung von drei weiteren Aminosäuren, die natürliche Zellen nicht herzustellen vermögen. Mit solchen künstlichen Aminosäure liessen sich in Proteine herstellen, die vollkommen neue neuen Eigenschaften haben, eben z.B. solche, die sich als Arzneimittel einsetzen oder aber auch von der chemischen Industrie nutzen lassen.

Das neue künstliche Lebewesen hat aber noch eine weitere sehr besondere Eigenschaft: Dadurch, dass es seinen ganz eigenen Code für die Proteinsynthese besitzt, kann es nur sein eigenes Erbgut entschlüsseln. Dies wiederum bedeutet, dass es grundsätzlich nicht mit anderen (natürlichen) Organismen in Wechselwirkung treten kann. Denn es kann deren genetischen Code nicht lesen, und umgekehrt. Insbesondere kann das künstliche Bakterium nicht durch Viren infiziert werden. Wenn ein Virus in die Zelle eindringt und versucht, die genetische Maschinerie der Zelle zu übernehmen, um mehr Viren zu produzieren, würde es bei der DNA-Decodierung sozusagen stecken bleiben. Es könnte die Zelle nicht dazu bringen, virale Proteine und damit Replikationen seiner selbst  zu produzieren – doch das ist genau das, was bei einer Virusinfektion passiert. Liesse sich die menschliche DNA derart neu kodieren, so wären die entsprechenden Zellen resistent gegen HIV-, Hepatitis-, Grippe oder jeden andere Form von Viren. Solche Zellen wären die ultimative Basis für die Stammzellentherapie. So sagte Jeff Boeke unlängst: „Solche hochsicheren menschlichen Zellen könnten für Stammzellbehandlungen, d.h. innerhalb der regenerative Medizin, das tun, was Pasteurisierung für Milch bedeutet hat“.

Für die Erzeugung des neusten künstlichen Genoms benutzten die Forscher um Chin konkret die CRISPR-Methodologie (die Venter vor neun Jahren noch nicht zur Verfügung stand). Mit ihr schleusten sie das neue künstliche Erbgut Stück für Stück in eine normale E. coli-Zelle ein, bis dieses ganz den natürlichen Code ersetzt hatte und kein Stück natürlicher DNA mehr vorhanden war, sondern nur solche, die dem natürlichen Vorbild nachempfunden waren. Das synthetische Erbgut trug zudem an 18‘214 Positionen einen Unterschied vom Original (zum Vergleich: Venters Kunstorganismus von 2010 trug nur 25 Modifikationen).

Wie wird sich das Feld der synthetischen Biologie weiterentwickeln? Jeff Boeks Team arbeitet bereits seit einiger Zeit am kompletten Nachbau der Hefe-Chromosomen. Dies besteht aus insgesamt 12 Millionen Basenpaaren. Kann eines Tages vielleicht auch das gesamte Erbgut des Menschen künstlich nachgebaut werden, und dies ggfs. mit entsprechenden Veränderungen? Es ist klar, dass sich hier gewaltige ethische Fragen auftun. Aber technologisch ist dies zurzeit kaum abzusehen. Das menschliche Erbgut ist um ein Vielfaches komplexer als das eines Bakteriums oder der Hefe: So müssten anstatt vier oder zwölf Millionen 3,3 Milliarden Basenpaare nachgebaut und eingefügt werden. Das übersteigt dann doch die heutigen Möglichkeiten der gentechnologischen Tools beträchtlich. Doch ganz so sicher sollten wir uns nicht wiegen. Oft ist in technologischer der Sprung von Null auf eine Million sehr viel grösser als der Sprung von einer Million auf mehrere Milliarden und höher. Und tatsächlich sprechen die Biologen schon vom „Human Genome Project-write“ („das Schreiben des menschlichen Genoms“). Sie hätten damit Zugang zum Blueprint für alles Leben, was ihnen die die Fähigkeit gäbe, Krankheiten zu heilen und Ökosysteme zu reparieren, oder gar, wie einige Genforscher meinen, „die Menschheit auf umweltfreundliche Weise zu erhalten“. Wir könnten dem künstlichen menschlichen Genom sogar die Fähigkeit eingeben, solche Aminosäuren selber herzustellen, die unser Körper nicht von sich aus herstellen kann. So liessen sich beispielsweise Fehl- oder Unterernährung unterbinden. Wir könnten unseren Körper ganz allgemein dazu bringen, die meisten Stoffe, die er für seinen Stoffwechsel oder die Abwehr von Krankheitskeime braucht, selber herzustellen (ausser der Energie, die muss aufgrund elementarster physikalischer Gesetze – zweiter Hauptsatz der Thermodynamik – von aussen kommen). Das Ergebnis wäre in jedem Fall: ein neuer, besserer Mensch.

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Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

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  1. Zitat: „Das Ergebnis wäre in jedem Fall: ein neuer, besserer Mensch.“ Falls ja, dann doch erst in ferner Zukunft, denn das Zusammenspiel der Gene, ja sogar die Funktion vieler Gene ist heute erst bruchstückhaft bekannt.
    Für das von Craig J.Venter gefundene Minimalgenom basierend auf Mycoplasma genitalium liest man etwa in der Wikipedia: Das Craig Venter Institute (JCVI) führte eine Studie durch, um alle wesentlichen Gene des M. genitalium durch globale Transposon-Mutagenese zu finden. Als Ergebnis fanden sie heraus, dass 382 von 482 proteincodierenden Genen essentiell waren. Gene, die für Proteine mit unbekannter Funktion kodieren, machen 28% der essentiellen Protein kodierenden Gene aus.
    Dazu kommt noch, dass es sehr hohe Hürden gibt bis nur schon Medikamente, aber erst recht genetische Eingriffe beim Menschen zugelassen werden. Das ist beispielsweise der Grund, dass George Church mit seiner Firma RejuvenateBio zuerst einmal mittels Gentherapie Hunde „verjüngen“ will und erst etwas später dann auch Menschen. Wobei scheinbar nur eine Handvoll bis ein paar dutzend Gene für diesen Verjüngungsakt verändert werden müssen. Im verlinkten Artikel liest man (übersetzt von DeepL):
    Church und das Team verstehen auch, dass es nicht so einfach wäre, Therapien zu entwickeln, die das Altern beim Menschen behandeln und sie genehmigen zu lassen. Es würde zu lange dauern, zu beweisen, dass etwas funktioniert. “Sie wollen nicht zur FDA gehen und sagen, dass wir die Lebensdauer um 20 Jahre verlängern. Sie würden sagen: “Großartig, kommen Sie in 20 Jahren mit den Daten zurück”, sagte Church während derselben Veranstaltung.

    Das Team hat also einen anderen Weg eingeschlagen: Anstatt die Lebenserwartung des Menschen als Schwerpunkt zu erhöhen, konzentriert es sich auf die typischen altersbedingten Krankheiten, die bei Hunden auftreten. Es besteht die Hoffnung, dass durch die direkte Ausrichtung auf die Alterungsprozesse die Entstehung dieser Krankheiten vollständig verhindert werden kann. Im Erfolgsfall wäre dies ein zusätzlicher Beleg dafür, dass die direkte Behandlung des Alterns zur Vorbeugung altersbedingter Krankheiten auch beim Menschen funktionieren könnte.

    Das komplette Genom des Menschen nachzubauen wie im obigen Beitrag von Lars Jaeger erwähnt macht für medizinische Anwendungen vorläufig sowieso keinen Sinn, denn die Medizin will ja Krankheiten kurieren und nicht den Menschen 2.0 erschaffen. Krankheit kurieren bedeutet auch, dass man zuerst einmal gezielt somatische Mutationen in sehr viele Körperzellen machen will. Bei einer Gentherapie für Muskeldystrophie beispielsweise müssen Gene in allen bestehenden Muskelzellen korrigiert werden.
    Etwas anderes ist die Keimzelltherapie bei der Gene in den Samen und/oder Eizellen oder im frühen Embryo korrigiert werden oder später vielleicht sogar durch „bessere“, synthetische Gene ersetzt werden. Vor allem vom zweiten sind wir noch sehr weit entfernt. Allein schon von den wissenschaftlichen Grundlagen her. Und noch weiter entfernt, wenn es auch Zulassungen etwa von einer Gesundheitsbehörde braucht.

  2. Herr Jaeger,

    Danke für den lesenswerten Beitrag! Sie schreiben:

    Das menschliche Erbgut ist um ein Vielfaches komplexer als das eines Bakteriums oder der Hefe: So müssten anstatt vier oder zwölf Millionen 3,3 Milliarden Basenpaare nachgebaut und eingefügt werden.

    .
    Frage: Müssten tatsächlich alle 3,3 Milliarden Basenpaare nachgebaut werden? Vielleicht könnte man ja auf einen Gutteil der Junk-DNA verzichten?

    Das stelle ich mir wirklich spannend vor, wenn man durch den Nachbau herausfinden könnte, was von dem DNA-Müll tatsächlich Müll ist—und nicht doch irgendwie gebraucht wird.

  3. @Balanus (Zitat): „wenn man durch den Nachbau herausfinden könnte, was von dem DNA-Müll tatsächlich Müll ist—und nicht doch irgendwie gebraucht wird.“
    Das ist man schon etwas weiter : 95% der menschlichen DNA sind nicht codierend, erzeugen also keine Proteine, doch man weiss durch das ENCODE-Projekt auch, dass trotzdem 80% der menschlichen DNA entweder eine Funktion haben, mindestens aber kurzfristig in RNA transkribiert werden.Einige der nichtcodierenden DNA-Abschnitte dienen auch der Genregulation. Im Wikipedia-Artikel Nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure liest man, dass es immer noch Kontroversen über die Funktion/Nichtfunktion grosser Anteil der nichtcodierenden DNA-Abschnitte gibt.
    Fazit: Die DNA als Buch des Lebens enthält immer noch viele Geheimnisse und kann durchaus mit dem Code eines grossen Computer-Programms verglichen werden, das unzählige Mal editiert wurde mit dem Resultat, dass man es nicht versteht, wenn msn nicht die ganze Editier-History kennt.

  4. Ich beziehe mich auf die nicht codierende DNA („Junk DNA“) worauf z.B. im nachstehenden Link eingegangen wird.

    Von meiner früheren Berufstätigkeit her kann ich mir von Information gesteuerte Prozessabläufe gut vorstellen. Allerdings mangelt es mir an wirklich fundierten biologischen und chemischen Kenntnissen.

    Für mich ist es ganz selbstverständlich, dass in der DNA selbst (Junk DNA), oder in benachbarten eher fadenförmigen Strukturen („Verschmutzungen“) Informationen „versteckt“ sein müssen, die auf die Bildung der verschiedenen Zellverbände (bis zu vollständigen Organen) zu jeweils bestimmten Zeitpunkten, Einfluss nehmen.

    Für die Prozesssteuerung zur Bildung der relativ geringen Zahl an verschiedenen immer gleichen Zelltypen dürfte weniger Code benötigt werden. Es wäre demnach nahe liegend zu vermuten, dass für die Steuerung der Strukturbildung der Zellverbände, die z.B. letztlich in ihrer Gesamtheit den Menschen bilden, als auch die Steuerung der Lebensprozesse ermöglichen, deutlich mehr Information (Programmcode) nötig ist.

    Auch würde ich vermuten, dass auch noch andere Konzepte aus der technischen Programmierung (z.B. „Unterprogrammkonzept“, realisiert als Stammzellen – „normale“ Körperzellen) eine Rolle spielen. Dies würde eine große Einsparung im Programmcode ermöglichen, weil sehr oft die jeweils gleichen DNA Codebereiche sozusagen zur Genexpression „aufgerufen“ werden könnten.

    Bedeutet: Primitive aber bereits sehr früh entstandene Lebewesen haben einen sehr umfangreichen Programmcode (Axolotl), der spät entstandene, höchst komplexe Mensch kommt mit relativ wenig Programmcode aus, da vermutlich die Evolution auf das technisch gesehen neuere „Unterprogrammkonzept“ (Stammzellenkonzept) gestoßen ist.
    Es scheint auch einfacher, dass sich ohne „Unterprogrammtechnik“ abgetrennte Glieder erneuern können (Axolotl).

    In der Informatik ist es grundlegend und kommt sehr häufig vor, dass serielle Datenstrukturen („Listen“) in baumartige Strukturen („Bäume“) oder auch umgekehrt, umgewandelt werden.

    „Informationstechnisch“ dürfte der serielle DNA (Programmcode) so „ausgewertet“ werden, dass „baumartig“ Zellstrukturen gebildet werden. Vermutlich an den „Außenseiten“ der („logischen“) Baumstrukturen Stammzellen.

    Wichtig scheint auch die Reihenfolge, der Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der jeweiligen Zellbildungen. Diese Parameter sollten entweder über Programmcodes oder so etwas wie „Zündschnüre“ (derzeit als Verschmutzung geltende Fadenmolekülketten) gesteuert werden.

  5. Ich beziehe mich auf die nicht codierende DNA („Junk DNA“) worauf z.B. im nachstehenden Link eingegangen wird.

    https://www.wissensschau.de/genom/nicht_codierende_dna.php

    Von meiner früheren Berufstätigkeit her kann ich mir von Information gesteuerte Prozessabläufe gut vorstellen. Allerdings mangelt es mir an wirklich fundierten biologischen und chemischen Kenntnissen.

    Für mich ist es ganz selbstverständlich, dass in der DNA selbst (Junk DNA), oder in benachbarten eher fadenförmigen Strukturen („Verschmutzungen“) Informationen „versteckt“ sein müssen, die auf die Bildung der verschiedenen Zellverbände (bis zu vollständigen Organen) zu jeweils bestimmten Zeitpunkten, Einfluss nehmen.

    Für die Prozesssteuerung zur Bildung der relativ geringen Zahl an verschiedenen immer gleichen Zelltypen dürfte weniger Code benötigt werden. Es wäre demnach nahe liegend zu vermuten, dass für die Steuerung der Strukturbildung der Zellverbände, die z.B. letztlich in ihrer Gesamtheit den Menschen bilden, als auch die Steuerung der Lebensprozesse ermöglichen, deutlich mehr Information (Programmcode) nötig ist.

    Auch würde ich vermuten, dass auch noch andere Konzepte aus der technischen Programmierung (z.B. „Unterprogrammkonzept“, realisiert als Stammzellen – „normale“ Körperzellen) eine Rolle spielen. Dies würde eine große Einsparung im Programmcode ermöglichen, weil sehr oft die jeweils gleichen DNA Codebereiche sozusagen zur Genexpression „aufgerufen“ werden könnten.

    Bedeutet: Primitive aber bereits sehr früh entstandene Lebewesen haben einen sehr umfangreichen Programmcode (Axolotl), der spät entstandene, höchst komplexe Mensch kommt mit relativ wenig Programmcode aus, da vermutlich die Evolution auf das technisch gesehen neuere „Unterprogrammkonzept“ (Stammzellenkonzept) gestoßen ist.
    Es scheint auch einfacher, dass sich ohne „Unterprogrammtechnik“ abgetrennte Glieder erneuern können (Axolotl).

    In der Informatik ist es grundlegend und kommt sehr häufig vor, dass serielle Datenstrukturen („Listen“) in baumartige Strukturen („Bäume“) oder auch umgekehrt, umgewandelt werden.

    „Informationstechnisch“ dürfte der serielle DNA (Programmcode) so „ausgewertet“ werden, dass „baumartig“ Zellstrukturen gebildet werden. Vermutlich an den „Außenseiten“ der („logischen“) Baumstrukturen Stammzellen.

    Wichtig scheint auch die Reihenfolge, der Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der jeweiligen Zellbildungen. Diese Parameter sollten entweder über Programmcodes oder so etwas wie „Zündschnüre“ (derzeit als Verschmutzung geltende Fadenmolekülketten) gesteuert werden.

  6. @Martin Holzherr

    Klar, auch DNA-Müll wird transkribiert (was wiederum Müll ergibt). Aber nicht viel mehr als 10% der menschlichen DNA dürfte eine (lebensnotwendige!) Funktion haben. Rund 65% müssen bis auf weiteres als Müll gelten, bei rund 25% ist die Lage noch etwas unklar. Sagt zumindest Laurence A. Moran (2011), und der dürfte es wissen… 😉

  7. @ Balanus

    Der Begriff „lebensnotwendige Funktion“ ist heikel.

    Was ist, oder was könnte in irgendeiner Situation für ein einzelnes Lebewesen oder eine Gruppe lebenswichtig sein?

    Ich würde vermuten, dass Junk DNA auf die Ausbildung der genauen „körperlichen Muster“ Einfluss nimmt. Von der Ausbildung der Kapillaren, der Neuronenverbände (sofern es nicht vom Input abhängt), bis zur Form der Nase.

    Letzteres kann ein harmloses ästhetisches Problem sein, soll aber schon Menschen das Leben gekostet haben.

  8. Prokaryonten haben 20% nicht codierende DNA, bei den Eukaryonten schwankt dieser Wert sehr stark wobei beim Menschen beispielsweise mehr als 95% der DNA nicht codierend ist, also keine Proteine erzeugt. Doch ein gewichtiger Anteil der nichtcodierenden DNA hat beim Menschen trotzdem eine Funktion. Micro-RNA‘s beispielsweise entspringen nichtcodierenden DNA-Abschnitten. MicroRNAs kontrollieren die Translationstätigkeit von etwa 30% aller proteincodierenden Gene in Säugern.Micro-RNA‘s sind aber nur ein Beispiel von vielen für funktionell nichtcodierende DNA wie man Non-coding DNA entnimmt. Dort liest man:

    Viele nicht kodierende DNA-Sequenzen müssen eine wichtige biologische Funktion haben. Dies wird durch vergleichende genomische Studien belegt, die über hochkonservierte Regionen nicht-kodierender DNA berichten, manchmal auf Zeitskalen von Hunderten von Millionen von Jahren. Dies bedeutet, dass diese nichtcodierenden Regionen unter starkem evolutionären Druck und positiver Selektion stehen[47] Zum Beispiel in den Genomen von Mensch und Maus, die vor 65 bis 75 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren abwichen, machen proteincodierende DNA-Sequenzen nur etwa 20% der konservierten DNA aus, während die restlichen 80% der konservierten DNA in nichtcodierenden Regionen vertreten sind.Die Verknüpfungskartierung identifiziert oft chromosomale Regionen, die mit einer Krankheit assoziiert sind, ohne Hinweise auf funktionelle Codierungsvarianten von Genen innerhalb der Region, was darauf hindeutet, dass krankheitsverursachende genetische Varianten in der nicht codierenden DNA liegen.

  9. @Elektroniker // 26. Mai 2019 @ 09:17

    » Was ist, oder was könnte in irgendeiner Situation für ein einzelnes Lebewesen oder eine Gruppe lebenswichtig sein? «

    Welche Basenpaare lebenswichtig sind, merkt man, wenn sie fehlen. DNA, die an der Ausbildung des Körpers beteiligt ist, hat klarerweise eine Funktion. Nicht jeder Gendefekt führt zum Tode, so war „lebenswichtig“ nicht unbedingt gemeint.

    Es geht darum, welche DNA-Abschnitte in relevante zelluläre Prozesse eingebunden sind, solche, die für das Funktionieren der Zellen von Bedeutung sind und die Grundlage für nachfolgende selbstorganisatorische Prozesse sind. Bloße chemische Reaktionen an der DNA (Transkriptionen), die nichts weiter bewirken, sind (vermutlich) entbehrlich.

  10. Zitat: Wie wird sich das Feld der synthetischen Biologie weiterentwickeln?
    Der Nachbau von Genen ist jedenfalls nicht das Hauptziel. Vielmehr stehen biotechnologische Anwendungen im Vordergrund. synthetic biology as “an emerging discipline that uses engineering principles to design and assemble biological components” Liest man dazu in der Wikipedia. Man will damit bestehenden Zellen und Organismen neue Funktionalität verrleihen. Medikamente produzierende Organismen oder Kohlenwasserstoff (als Ersatz für Erdöl) erzeugende Organismen könnten daraus hervorgehen. Auch die Optimierung bestehender Stoffwechselwege ist ein Ziel. Kürzlich gelang es beispielsweise die Photosynthese von Tabakpflanzen um 40% zu verbessern indem man das Enzym RuBisCO, welches CO2 bindet, optimierte. In seiner natürlichen Form bindet Rubisco nämlich auch an Sauerstoffatome und muss diese Fehlbindung später wieder rückgängig machen, was 20% der durch Photosynthese gewonnen Energie kostet. Allerdings genügte es nicht nur Rubisco umzubauen, es mussten noch einige weitere Modifikationen vorgenommen werden, so dass es sich hier um das bisher komplexeste Biosyntheseprojekt handelt. Der Erfolg soll nun auf Getreidepflanzen übertragen werden. Nachzulesen unter anderem im Artikel Fixing photosynthesis by engineering it to recycle a toxic mistake

  11. Zellen und Organismen mit einem anderen Codierschlüssel, also einer anderen Zuordnung von DNA-Tripletts zu Aminosäuren ( wie im Text von Lars Jaeger erwähnt) sind tatsächlich hochinteressant, kann doch der Proteinsyntheseapparat einer solchen Zelle nicht gehijacked werden: Kein Virus kann die Kontrolle über den Stoffwechsel einer recodierten Zelle übernehmen. Eigentlich verwunderlich dass ein Recoding nicht schon natürlicherweise vorkommt, denn es wäre ein raffinierter Verteidigungsmechanismus gegen Viren – und Viren gibt es ja fast mehr als richtige Zellen. Allerdings sind Viren zwar eventuell tödlich für einen befallenen Organismus, aber evolutionär gesehen können Viren als Überträger von Genen (horizontaler Gentransfer) äusserst nützlich sein. Für den Menschen aber spielt die Evolution keine Rolle mehr, die ersetzt er jetzt durch Genengineering. So gesehen könnten recodierte Zellen bei Anwendungen in der Humanmedizin äusserst hilfreich sein. Ich hab mir noch überlegt ob ein Gemisch von normalen und recodierten Zellen im menschlichen Organismus Probleme verursachen könnte. Da Zellen aber weitgehend autonom agieren und untereinander keine DNA austauschen, sehe ich momentan keinen Hinderungsgrund für solche chimärischen Gewebe. Vielleicht werden ja gänzlich recodierte Menschen einmal die einzigen sein, die eine Pandemie mit einem Killervirus überleben. Es könnte aber auch sein, dass gänzlich recodierte Menschen auch Gesundheitsprobleme haben, denn es gibt auch nützliche Viren und auch diese nützlichen Viren hätten in einem recodierten Menschen keine Heimstatt.

  12. Ich hätte eine andere Frage an die Runde (@ Holzherr).

    Es heißt, dass um die DNA “Verschmutzungen“ existieren sollen, die Genanalysen (früher?) erschwert haben sollen.

    Für mich als Techniker wäre es naheliegend zu vermuten, dass diese Molekülketten mit Steuerungsprozessen zu tun haben. Wie es salopp gesagt, z.B. bei Automotoren elektrische Steuerungskabel gibt.

    Jede Menge Steuerungsprozesse sind im Prinzip auch bei der Genexpression erforderlich. Habe im Internet noch nichts darüber gefunden.

  13. Ich muss schmunzeln: Designer -Bakterien, Designer Menschen…Das DESIGN im Kopf ,genetisch codiert, ist immer noch das uralte PrimatenMuster “Made in Urzeit” . Sprich ,diese Psyche funktioniert immer noch auf der Basis von Trieben, egoistischen Gefühlen ( Neid, Raffgier, Machtgier, Hass, Wut, ) Hinterhältigkeit, Verlogenheit etc…Die Beseitigung bzw. Modulation dieses Erbgutes, was zu Kriegen, Mord und Zerstörungen geführt hat, wird wohl auch der moderne Designer-Mensch in seinen Design Klamotten und seinen Design Wohnungen mit Design Technik nicht schaffen. So gesehen kann er die Evolution nicht austricksen…

  14. Künstliche Bakterien? Nein, danke!
    Schon jetzt gibt es Krankenhauskeime, die gegen Antibiotika immun sind. Wie will man die künstlichen Bakterien bekämpfen, wenn sie einmal freigesetzt , die “natürlichen” Bakterien überwuchern ?
    Die gut gemeinten Absichten der Forschung sind ein zweischneidiges Schwert. Man sollte diese Forschungen und Entwicklungen verbieten !

  15. @Sbaraquack: Künstliche, also synthetisch hergestellte Batkerien haben meist eine eingebaute Stoffwechselschwäche. Sie überleben nicht ohne einen bestimmten Stoff und diesen Stoff gibt es in der Natur nicht in ausreichender Menge, sondern nur im Labor oder Bioreaktor.
    So hergestellte künstliche Bakterien sind ungefährlich.

    Gefährlich wird es aber wenn man künstliche Bakterien als Kriegs- oder Terrorwaffe designt – und schliesslich sogar einsetzt.

  16. @ Sbaraquack

    Die Evolution in der Natur geht weiter.

    Es werden sich immer wieder von selbst neue Bakterien und Viren entwickeln. Irgendwann wird ein Super Krankheitserreger entstehen, der uns alle dahinrafft. Die Spanische Grippe (1918) war ein 1. Warnzeichen.

    Es bleibt uns gar nichts anderes übrig, als den uns von der Natur aufgezwungenen „Wettkampf“ aufzunehmen.

    Es gibt ein „Wettrennen“ zwischen Krankheitserregern und Forschung….

  17. Elektroniker,
    Zwischen dem Erforschen von Genen und den Genverpflanzungen ist nur ein schmaler Grat.
    Zwischen dem Einsatz von Giftgas und seiner Verwendung im Glyphosat ist gar kein Grat mehr.
    Der Mensch hat längst die Schwelle des Erlaubten überschritten.

  18. @Martin

    Ja, schmunzeln 😊

    Zum Thema Bewusstseinsentwicklung und geistiger Stillstand, habe ich dem Blume u.a. versucht in sein “Poesie-Album” einzutragen:
    Stehen ein Mörder und eine Gruppe künstliche, gentechnisch-funktionalisierte “Anständige” vor dem Himmelstor, aber nur der Mörder kommt rein! Warum wohl?😎

  19. Stumpf-, blöd- und wahnsinnige Symptomatik im Kreislauf – Wenn es den Forschern gelingen würde den Mensch mit dem Bewusstsein der reinen Vernunft zu designen, dann … wäre das vielleicht trotzdem noch gefährlich wegen der wohl nie überschaubaren Nebenwirkungen, aber weil das wie beim Computer immernoch abhängig vom User / Programmierer ist, sollten wir darüber derzeit besser nichtmal nachdenken.

  20. Darf ich dazu eine Frage stellen?

    Ein Herr Juan Enriquez, geschäftsführender Direktor von Excel Venture Management und Buchautor (Evolving Ourselves. How Unnatural Selection is Changing Life on Earth, gemeinsam mit Steve Gullans), behauptet in John Brockmans “Edge – Neuigkeiten von morgen”, eine Gruppe von Molekularbiologen unter Leitung Floyd Romesbergs habe einen neuen genetischen Code entwickelt. Dabei gehe es darum, dass dieser Code andere chemische Stoffe als A, T, C und G enthalte. Ist da was dran?

  21. Gattaca lässt grüssen – Am Beispiel dieses Teils der Wissenschaft, wird deutlich wie systemrational Wissenschaft funktioniert und deshalb in ihrer Glaubwürdigkeit stets hinterfragt gehört!?

  22. @Gerald Fix: andere chemische Stoffe als A, T, C und G in DNA:

    Ja, künstlich hergestellte Nukleotide waren in Experimenten Teil von modifizierter DNA. Siehe etwa For The First Time, Scientists Have Made Synthetic DNA With 4 Additional Letters
    Dort liest man (übersetzt von DeepL):
    Die von der NASA finanzierte und von der Foundation for Applied Molecular Evolution in den USA geleitete Forschung hat zur Entwicklung einer völlig neuen Variante der DNA-Doppelhelix geführt, einer mit vier zusätzlichen Nukleotidbasen.

    Es heißt hachimoji DNA (aus dem Japanischen für “acht Buchstaben”) und enthält zwei neue Paare, die zu den bestehenden Partnerschaften von Adenin (A) gepaart mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Cytosin (C) hinzukommen.

    Diese Arbeit zur Erweiterung der eigenen genetischen Rezeptur der Natur mag ein wenig vertraut klingen. Die gleichen Wissenschaftler haben bereits 2011 erfolgreich zwei neue Buchstaben eingewickelt. Erst im vergangenen Jahr wurde eine weitere Version eines erweiterten Alphabets, ebenfalls mit sechs Buchstaben, entwickelt, um in einem lebenden Organismus zu funktionieren.

  23. Lars Jaeger stellt hier künstlich hergestelltes Leben als ethisches Problem dar. Doch das ist es nicht – oder nur bedingt. Der Mensch als neuer Gott der Leben schafft ist vielleicht für Theologen ein Problem. Für die Menschheit ist das solange kein Problem, als dieses Leben nur eine Kopie von dem ist was es schon gibt.
    Viel problematischer ist eigentlich das was die synthetische Biologie in erster Linie will: Sie will von ihr modififzierte Lebewesen als Maschinen, die im Dienste des Menschen stehen. Nun, könnte man sagen, Nutzpflanzen wie Getreide stehen ja schon im Dienste des Menschen und sie wurden ebenfalls vom Menschen gemäss seinen Wünschen modififziert. Der Unterschied bei der Herangehensweiser der synthetischen Biologie ist aber, dass es der synthetischen Biologie möglich ist, eigentliche Frankenstein-Wesen zu erschaffen, also Organismen, die sich radikal von allem unterscheiden was es in der Natur gibt.

  24. At some point everyone will be able to kill all . And some woman will do it -perhaps to show all the men that women can it too.

    Ein Riesenproblem der neuen Möglichkeiten haben bis jetzt nur wenige Futurologen und Trendscouts erkannt (Sir Martin Rees aber hat es zu seinem Thema gemacht): Wenn so mächtige Technologie wie die synthetische Biologie irgendwann von jedem eingesetzt werden kann der eine entsprechende App besitzt, dann wird es auf dieser Erde höllisch gefährlich. Doch heute liest man noch positiv konnotiert: Startup aims to democratize synthetic biology
    Synthetische Biologie zu demokratisieren kann aber bedeuten, dass man die Apokalypse demokratisiert, also es jedem Trottel möglich macht, die ganze Welt untergehen zu lassen.

  25. @Holzherr

    “… oder nur bedingt.”

    Ganz genau, nur bedingt, wie wir die Vernunft für unser Zusammenleben organisieren!

  26. Dr, Webbaer horcht hier, im gleich Zitierten, ein wenig auf, ist ohnehin eher Querleser und sozusagen im Web Power-User, auch weil per se hellhörig :

    Doch der Ehrgeiz der Gentechniker geht bereits viel weiter: Sie wollen nichts weniger als die Programmiersprache des Lebens zu nutzen lernen, um bessere Genome herzustellen als die Natur dies getan hat.
    […]
    Das Ergebnis wäre in jedem Fall: ein neuer, besserer Mensch.

    Die Gendatenhaltung folgt nicht einer für Erkenntnissubjekte geeigneter Sprache, sie ist zwar erfasst, Craig Venter redet hier missverständlich von Entschlüsselung (Sequenzialisierung von auch humanem Erbgut ist gemeint, dieses kann anscheinend sequenzialisisiert werden, allerdings nicht im Sinne von (klarer) Bedeutung), zwischen Datenlage und Sprache, die derartige Datenlage verarbeiten kann, bleibt abär zu unterscheiden.

    Serialisierung ist hier das eigentliche Fachwort und Dr. W amüsiert sich immer auch ein wenig über die Frage, ob die Welt, diese Welt serialisiert werden kann, geht hier teils konform mit (dem als großen Philosophen oft unerkannten) Terry Pratchett (R.I.P.), also diese Fragestellung betreffend.

    Die (Natur-)Wissenschaft ist sehr gut darin zu bestimmen, was nicht geht, was nicht empirisch adäquat sein kann – und sie ist eher schlecht darin zu bestimmen, was gehen, funktionieren kann bis muss und Anwendungen erlaubt, letztlich dann doch ganz gut, denn die szientifische Methode greift derart, wenn auch eher spekulativ und für ihre Theorien ein (nicht gerne genanntes) Verfallsdatum meinend.

    Der im dankenswerterweise bereit gestellten WebLog-Artikel, der auch mit persönlich gehaltener Einschätzung sozusagen beglückt worden ist, also, dass Sprachen, sozusagen ‘Programmiersprachen’ vorliegen, die Biosphäre meinend, die von erkennenden Subjekt nicht nur verstanden, sondern auch angewendet werden können, auch um sozusagen bessere Menschen (oder Bären) zu schaffen, also da liegt aus diesseitiger Sicht sozusagen nackter Spekulatius vor.

    Im Sinne des Denkmöglichen korrekt, in praxi wohl schwer fehlgeleitet und zu verwerfen; wenn nicht sozusagen Monster geschaffen werden sollen.
    Oder sozusagen optimierte Klone des Menschen.

    Mit freundlichen Grüßen
    Dr. Webbaer (der nun die generelle Stoßrichtung des (womöglich : kinderlosen) werten hiesigen Inhaltegebers meint verstanden zu haben)

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