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Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Atmosphärisches Kohlendioxid: Die ultimative Biokraftstoffquelle der Zukunft?

Video: Biokraftstoffe

(idw). Unabhängigkeit von den Erdöl exportierenden Ländern, Reduzierung der freigesetzten Treibhausgase, Schonung der zu Neige gehenden Ressourcen: Viele Gründe sprechen für einen Abschied von der Nutzung fossiler Brennstoffe. Wasserstofftechnologie und Solarenergie werden höchstwahrscheinlich die Antwort auf das globale Energieproblem sein – aber erst auf längere Sicht. Für eine erste, rasche Abhilfe könnte Bioenergie sorgen. Aus Biomasse lassen sich alternative kohlenstoffbasierte flüssige Kraftstoffe herstellen und so die gängige Technik automobiler Verbrennungsmotoren und die vorhandene Infrastruktur weiter nutzen. Gleichzeitig würde die chemische Industrie mit den als Rohstoffe benötigten Kohlenstoffverbindungen beliefert. Mark Mascal und Edward B. Nikitin von der University of California, Davis (USA), haben jetzt eine interessante neue Methode entwickelt, Cellulose direkt in furanbasierte Biokraftstoffe umzusetzen. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, liefert das einfache, kostengünstige Verfahren Furanverbindungen in bisher beispielloser Ausbeute.

Atmosphärisches Kohlendioxid sollte die ultimative Kohlenstoffquelle der Zukunft sein. Am effektivsten “geerntet” wird es durch die pflanzliche Photosynthese. Biotreibstoffe werden derzeit vor allem aus Stärke gewonnen, die zu Zuckern abgebaut und zu Ethanol fermentiert wird. Die am weitesten verbreitete Form von photosynthetisch fixiertem Kohlenstoff ist aber Cellulose. Das Problem: Die Spaltung von Cellulose in seine einzelnen Zuckerbausteine, die dann fermentiert werden könnten, ist ein langsamer, kostenintensiver Prozess. “Ein weiteres Problem ist die geringe Kohlenstoff-Wirtschaftlichkeit der Glucose-Fermentation,” erläutert Mascal, “für 10 g produziertes Ethanol werden zusätzlich 9,6 g CO2 freigesetzt.”

Könnte man auf Cellulosespaltung und Fermentation verzichten? Man kann, wie Mascal und Nikitin zeigen. Sie haben ein einfaches Verfahren entwickelt, mit dem Cellulose direkt in “Furanics” (Furan-basierte organische Flüssigkeiten) umgewandelt werden können. Furane sind Moleküle, deren Grundkörper von einem aromatischen Ring aus vier Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom gebildet wird. Hauptprodukt unter den von den Forschern entwickelten Reaktionsbedingungen ist 5-Chlormethylfurfural (CMF).

CMF lässt sich mit Ethanol zu Ethoxymethylfurfural (EMF) verknüpfen oder mit Wasserstoff zu 5-Methylfurfural umsetzen. Beide Verbindungen eignen sich als Kraftstoffe. EMF wurde bereits früher in Mischungen mit Diesel von Avantium Tecnologies, einem Spin-off von Shell, untersucht und als interessant eingestuft.

“Unsere Methode scheint die effektivste bisher beschriebene Umsetzung von Cellulose in einfache, hydrophobe organische Verbindungen zu sein,” so Mascal. “Außderdem wird die Kohlenstoffausbeute der Glucose- und Sucrose-Fermentation bei weitem übertroffen. Furanics könnten sich sowohl als Autokraftstoffe als auch als chemische Rohstoffquelle der Zukunft etablieren.”

Autor: Mark Mascal, University of California, Davis (USA)

Biobenzin: Ist Benzin aus Biomasse eine neue spannende Perspektive?

Was ist besser: Biobenzin oder Ethanol? WISSEN DER ZUKUNFT berichtet über das Wunderwelt Wissen und eine neue Perspektive.

Hamburg (ptx) – Shell und Virent Energy Systems, Inc., (Virent) aus Madison in Wisconsin, USA, haben ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsvorhaben angekündigt, das zum Ziel hat, pflanzlichen Zucker statt in Ethanol direkt in fertiges Benzin oder Benzinkomponenten umzuwandeln.
Die Zusammenarbeit hat das Potential, die Verfügbarkeit neuer Biokraftstoffe deutlich zu verbessern. Denn das neue Biobenzin kann dem herkömmlichen Ottokraftstoff in hohen Mischungsanteilen beigegeben werden. Eine spezialisierte Infrastruktur, neue Motortechnik und die erforderlichen Anlagen zur Beimischung würden dadurch überflüssig. Die Technologie der BioForming-Plattform von Virent wandelt pflanzliche Zucker mit Hilfe von Katalysatoren in Kohlenwasserstoffmoleküle um, wie sie auch in einer Erdölraffinerie erzeugt werden. Bisher wurden pflanzliche Zucker zu Ethanol fermentiert und destilliert. Die neuen “Biobenzin”-Moleküle haben einen höheren Energieinhalt als Ethanol (oder Butanol) und bieten eine bessere Kraftstoffeffizienz. Sie lassen sich zu herkömmlichem Benzin mischen, das sich nicht von Benzin auf Erdölbasis unterscheidet, oder können mit ethanolhaltigem Benzin kombiniert werden.

Zur Gewinnung der Zucker eignen sich neben Weizen, Mais und Zuckerrohr auch Reststoffe/Bioabfälle wie Maisstroh, Stroh und Zuckerrohrbagasse. Shell und Virent haben bereits ein Jahr lang gemeinsam geforscht. Mit der BioForming- Technologie wurden schnelle Fortschritte erzielt und die gesteckten Ziele für Ertrag, Produktzusammensetzung und Kosten übertroffen. In Zukunft soll vor allem die Technologie weiter verbessert und zur kommerziellen Produktion größerer Mengen tauglich gemacht werden.

“Die technischen Eigenschaften der heutigen Biokraftstoffe erschweren ihre Einführung auf breiter Front”, so Dr. Graeme Sweeney, Shell Executive Vice President Future Fuels and CO2.

“Die Autoindustrie und Kraftstoffanbieter sind zwar im Begriff, die Vertriebsinfrastruktur und die Automotoren an die heutigen Biokraftstoffe anzupassen, aber die jetzt aufkommenden neuen Kraftstoffe wie die von Virent, die dieselben Eigenschaften wie Benzin und Diesel aufweisen oder diesen sogar überlegen sind, geben eine neue Perspektive, was ich sehr spannend finde.”

Dr. Randy Cortright, Chief Technology Officer, Mitbegründer und geschäftsführender Vizepräsident von Virent: “Virent hat bewiesen, dass sich pflanzlicher Zucker in dieselben Kohlenwasserstoff-Komponenten umwandeln läßt, die in den heutigen Benzinmischungen verwendet werden. Unsere Produkte sind Benzin auf Erdölbasis in Funktionalität und Leistung ebenbürtig. Der einzigartige Katalyseprozess von Virent erzeugt Biobenzin aus unterschiedlichen Biomasse-Rohstoffen zu wettbewerbsfähigen Kosten. Die Ergebnisse, die uns heute vorliegen, rechtfertigen eine beschleunigte Kommerzialisierung dieser Technologie.”