Die Evolutions-Macher: Bio-Ingenieure und Enzym-Schöpfer

Vom Probieren zum Konstruieren

Vor einiger Zeit habe ich an der TU München das „ Industrial Biotech Forum“, eine inhaltlich ziemlich anspruchsvolle Fachveranstaltung besucht. Das Feld spannte sich von biotechnologisch relevanter Grundlagenforschung bis zu anwendungsnahen wissenschaftlichen Arbeiten. Für einen Nicht-Biochemiker, wie ich es bin, war das manchmal schon schwere Kost – und ich gestehe freimütig, dass mir einige der Vorträge weitgehend verschlossen geblieben sind. Gut hat da getan, dass mir ein anwesender Biochemiker – natürlich nur hinter vorgehaltener Hand! – zugeflüstert hat, ich sei da in guter Gesellschaft, denn auch er habe nicht alle Vorträge wirklich verstanden. Fachchinesisch kann also schon ziemlich nah am eigenen Forschungsgebiet beginnen! Nun, zwei der Vorträge waren für mich nicht nur nachvollziehbar, sondern boten sich inhaltlich auch dank höheren Nährwerts in Bezug auf grundsätzlichere Überlegungen für eine Umsetzung in HYPERRAUM.TV bestens an.

Der Systembiologe Uwe Sauer leitet an der ETH Zürich das Institut für molekulare Systembiologie und hat sich mit seinem Team die Erforschung der Vorgänge im zellulären Stoffwechsel zum Ziel gesetzt. Für das Verständnis dieser komplexen Umwandlungsprozesse in einem Organismus sind die Metaboliten der zentrale Schlüssel – eine Art „Netzwerk-Marker“. Doch sie verhalten sich wie Chimären, ändern ihre Zustände ständig. So konnten sie sich der Beobachtbarkeit und damit auch der Interpretierbarkeit ihrer Funktionen durch die Wissenschaft lange weitgehend entziehen. Verantwortlich für diese Prozesse sind die Proteine, die in einer Zelle laufend zahllose Metaboliten umwandeln. Diesen Stofffluss – beispielsweise in den rund viertausend Proteinen eines Kolibakteriums – en Detail zu verfolgen, liegt an der Grenze des heute wissenschaftlich Möglichen. Dafür hat Sauer ein neues Experimentalset entwickelt und zudem Computermethoden für die wissenschaftliche Auswertung der gewaltigen Daten erarbeitet, die bei der Dokumentation der biochemischen Umwandlungs-Prozesse entstehen. Der Gruppe von Sauer gelang mit den neuen Methoden 2015 ein wichtiger Nachweis, nämlich: dass – und vor allem, wie genau – Zellen Hungerphasen überstehen und sich gleichzeitig aufs sofortige Wachstum vorbereiten. Einfach herstellbare Metaboliten werden sofort in Energie umgewandelt, komplizierte Aminosäuren dienen als Energiespeicher.

Solche Forschung an den Grenzen unseres Wissens verlangt inzwischen nach einem neuen Typ des Biologen. Er muss die Trennlinie zwischen Experiment und Theorie überwinden. Denn nur wer in beiden Welten verankert ist, kann an der Front moderner Erkenntnisse erfolgreich agieren. Anders gesagt: Daten durch die Beobachtung der sichtbaren Natur mühsam zu sammeln und dann zu versuchen, sie anschließend theoretisch zu durchdringen – das war Biologie von vorgestern. Seit vielen Jahrzehnten erschließen Mikro- und Molekularbiologie sowie die Biochemie immer kleinere Dimensionen der Natur – auch dank einer steigenden Zahl von HighTech-Verfahren. Seit kurzem haben nun Technologien Einzug in die biologische Forschung genommen, die es erlauben, die Gesamtheit der in einer Zelle ablaufenden biochemischen Prozesse zu erfassen. Dabei fallen gewaltige Datenmengen an. Diese Datenberge wissenschaftlich auch beherrschbar zu machen, ist die große Herausforderung, der sich die Biologen jetzt stellen müssen. Dazu zähle auch, meint Sauer, das Design von Experimenten vorab systematischer zu konzipieren als das Biologen heute noch üblicherweise tun. Denn die Generierung von riesigen Datenmengen allein sichere längst noch keinen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn. Manchmal sei es wesentlich hilfreicher, mit einem Experimentalset zu arbeiten, das nur wenige Daten erfasst.

Last, but not least, geht es bei der Zellforschung auch um die Frage der Modellbildung in der Biologie. Das Modell des Lebens rückt immer mehr in den öffentlichen Fokus der Wissenschaft. Sauer bleibt da aber konservativ. Er ist überzeugt, dass die Wissenschaft davon noch sehr weit entfernt ist. Man solle sich lieber, so sein Plädoyer, auf präzise Hypothesen fokussieren und diese mit gut durchdachten Experimenten systematisch prüfen, das Thema also pragmatisch angehen, statt wissenschaftliche Fragestellungen mit zu hohen Erwartungen an die Modellbildung zu überfrachten.

Enzym-Schöpfer

Einen Schritt näher an der Biotechnologie arbeiten die Enzym-Forscher. Natürliche Enzyme finden sich in Brot oder Käse, die Industrie nutzt diese chemischen Katalysatoren aber auch für Waschmittel oder Kosmetika. Doch deren vielfältige biotechnologische Möglichkeiten sind längst noch nicht erschlossen – vor allem deshalb, weil es schier unendlich viele Varianten gibt, deren Durchmusterung auf Nutzbarkeit nicht nur neue Technologien, sondern auch neue Strategien erfordert. Enzyme sind komplexe Makrostrukturen, die aus mindestens zwanzig verschiedenen chemischen Bausteinen bestehen. Daraus ergibt sich eine Variantenvielfalt für mögliche Enzyme, die um den Faktor hundert größer als die Zahl sämtlicher Sterne im Universum ist. Das macht die Dimension der Aufgabe transparent, vor der Biochemiker heute stehen.

Der Biotech-Bereich, der sich mit der Erschließung dieses grundlegenden Wissens über Enzyme und dessen industriellen Nutzungsmöglichkeiten befasst, wird heute als „Directed Evolution“ bezeichnet. Ulrich Schwaneberg, der den Lehrstuhl für Biotechnologie an der TU Aachen inne hat, ist einer dieser Enzym-Schöpfer; seit fünfzehn Jahren ist er mit seiner Forschungsgruppe auf der Suche nach neuen Methoden, das Potenzial der Enzyme zu ergründen. Dafür hat er vor einigen Jahren ein technologisches Patent entwickelt, mit dem es möglich ist, mehr als drei Millionen verschiedene Varianten von Enzymen zu durchmustern. Doch die Durchmusterung der Mikrowelt allein kann nicht helfen, diese gewaltige Zahl von Möglichkeiten zu durchsuchen. Gebraucht werden Strategien für die zielgerichtete Suche. Mit seiner „KnowVolution“ hat er eine Wissensbank konzipiert, die dazu dient, Strukturveränderungen in den Enzymen mit bestimmten chemischen Wirkungen in systematische Verbindung zu bringen.

Mit computerunterstützten Methoden spürt er Schlüsselpositionen in den Enzymen auf, die für bestimmte verbesserte Eigenschaften oder besondere chemische Aktivitäten typisch sind. Mit den Algorithmen der „KnowVolution“ lässt sich, so sagt Schwaneberg, schon heute die Zahl der Varianten, die tatsächlich untersucht werden muss, drastisch senken. Und mit jeder Durchmusterung wird das Strukturwissen größer. Damit beginne jetzt bald die Zeit, in der die Wissenschaft Enzyme für bestimmte Anwendungen maßschneidern könne. Für gezielte Biotech-Anwendungen unterschiedlichster Nutzungsbereiche wird das einen gewaltigen Push geben. Solche innovativen Anwendungen sind, da ist Schwaneberg überzeugt, nur möglich, wenn disziplinäre Kompetenz mit interdisziplinärem Denken zusammengebracht wird. Am Leibniz-Institut für interaktive Materialien spannt er den Bogen mit Kollegen des Fachbereichs Biologie von der Pflanzenforschung über die Proteinchemie sogar bis zu den Materialwissenschaften. Es geht dabei auch um schaltbare Enzyme – ein Anwendungsbereich, der für die Biotechnologen Neuland bringt. Diese biochemischen Lichtschalter könnten dank dem „protein engineering“ künftig auch in der Medizin Eingang finden und beispielsweise bei der Dosierung von Medikamenten im Körperinneren zum Einsatz kommen. Sie bleiben in ihren Containern eingeschlossen und können von dort über einen längeren Zeitraum gezielt freigesetzt werden.

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Zellen entstanden und entwickelten sich durch Millionen Jahre von Herumbasteln des grossen Experimentators Natur im Rahmen des grossen Experiments Leben und Herumbasteln ist auch eine adäquate Beschreibung dessen, was die meisten explorativ arbeitenden Chemiker tun, denn es gibt zwar mit der Quantentheorie eine theoretische Basis für chemische Prozesse und Systeme, aber der Rechenaufwand für ganze Moleküle oder gar einer Suppe von zusammenarbeitenden aktiven Molekülen (Enzymen) übersteigt die Rechenkraft der grössten Supercomputer. Ändern könnten das Quantencomputer, denn mit ihnen können ganze chemische Systeme simuliert werden. Doch ganze Zellen lassen sich wohl sogar mit Super-Quantencomputern nicht so schnell simulieren, zumal es auf der Ebene von Zellen nicht nur die reine Chemie, die sich in den Elektronenhüllen von Molekülen abspielt, eine Rolle spielt, sondern auch fluide und mechanische Prozesse und diese auf Quantenebene mitzuberücksichtigen wäre ein irrwitziges Unterfangen.
    Ein ab-initio-Ansatz, der mit den auf der atomaren Ebene gültigen physikalischen Gesetzen alles Höhere erklären will, ist also heute und wohl auch in Zukunft nicht gangbar, denn es bräuchte wohl so etwas wie einen allwissenden Gott (oder einen entsprechenden Super-Superquantencomputer) um Zellen und das Leben auf dem Papier nur schon zu verstehen, geschweige denn zu entwerfen.
    Die gerichtete Evolution, von der im obigen Beitrag die Rede ist, geht dagegen von existierenden Enzymen aus. Diese werden zufällig mutiert, selektiert und die daraus resultierenden verbesserten Mutanten werden identifiziert. Mit der Zeit entsteht eine ganze Mutantenbibliothek (von mutierten/variierten Enzymen). Damit ist die gerichtete Evolution ebenfalls eine Form des Herumbastelns, nur eben ein systematisiertes Herumbasteln. Auf jeden Fall befinden wir uns mit einem Engineering-Ansatz, wie es die verfeinerte, Theorie und Experiment vereinigende gerichtete Evolution ist, im Bereich der synthetischen Biologie, einer Schöpfer-Biologie, wo der Schöpfer nicht mehr die Natur sondern der Mensch ist oder wie in der englischsprachigen Wikipedia zu lesen ist, einer sich gerade entwickelnden Disziplin, die ingenieursmässig vorgeht um biologische Komponenten zu entwerfen und zusammenzubauen.
    Die synthetische Biologie hat schon früh Dinge versprochen wie Mikroorganismen, die direkt Kohlenwasserstoffe, also die essentiellen Komponenten von Erdöl herstellen. Doch dieses Versprechen, von John Craig Venter schon um das Jahr 2000 ausgesprochen, wurde bis heute noch nicht erfüllt. Es gibt zwar die von George M. Church (MIT-Genetiker) beratene Firma Joule Unlimited, welche genmodifizierte Cyanobakterien benutzt um Kohlenwasserstoffe herzustellen, doch an der Marktfähigkeit des Produkts wird noch gearbeitet.
    Die synthetische Biologie, welche Genengineering, molekulare Biologie, molekulares Engineering, Systembiologie, Biophysik, Computerengineering und Controlengineering vereint steht also immer noch in den Startblöcken. Doch sie dürfte auf jeden Fall schneller als das Leben ans Ziel kommen. Anstatt Millionen von Jahren bis zu den ersten lebenden Zellen, hergestellt durch Mutter Natur, dürfen wir mit einigen Jahrzehnten rechnen bis Bioingenieure es der Natur gleichtun.

  2. Ja, das Herumbasteln wird mit solchen Aktivitäten in gewisser Weise “nur” auf eine neue Stufe gehoben. Aber das ist immerhin etwas. Denn aus der Bibliothek heraus können Funktionen neu kombiniert werden. Aber klar: das Bio-Engineering steht noch ganz am Anfang. Dennoch halte ich diese Entwicklung für einen gewaltigen Fortschritt in Sachen Erkenntnisgewinn, weil sich die Perspektive der Betrachtung damit doch grundsätzlich verändert – damit rückt ein Ziel ins Blickfeld, das bisher so noch gar nicht auf der Agenda stand. Was wir daraus wohl machen?

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