Genbastler allein zu Haus

Dieser Text ist der Print-Ausgabe 11/2009 von Technologie Review entnommen. Das Heft kann, genauso wie ältere Ausgaben, hier online portokostenfrei bestellt werden.

Das eigene Erbgut testen oder mit Joghurt-Bakterien Schadstoffe aufspüren – immer mehr Hobbyforscher praktizieren Gentechnik daheim. Wird das wie bei Computer-Hackern zu Fortschritt führen, oder droht Gefahr?

Wo andere Leute ihre T-Shirts stapeln, da hat Katherine "Kay" Aull eine PCR-Maschine stehen, ein Gerät zur Durchführung der Polymerase Chain Reaction, das gewöhnlich nur in professionellen gentechnischen Labors zu finden ist. Auch sonst ist der Kleiderschrank im Schlafzimmer der 23-Jährigen voll gestopft mit Laborbedarf für Gentechnik-Experimente wie Gläsern, Chemikalien und Spritzen, die sie alle privat gekauft hat. "Man bekommt eine ganze Menge toller Sachen über eBay", sagt Aull. Nur 90 Dollar habe sie für die PCR-Maschine bezahlt, mit der sie zu Hause in ihrem Bostoner Apartment DNA-Proben vervielfältigen kann, um diese anschließend zu untersuchen. Ihre Experimente haben nichts mit Genmanipulation zu tun: Die insgesamt nur 500 Dollar teuren Utensilien ermöglichen ihr, am heimischen Küchentisch ins eigene Erbgut zu schauen – und herauszufinden, ob sie die Erbkrankheit Hämochromatose hat.

Das Leiden war zuvor bei ihrem Vater diagnostiziert worden, aber so spät, dass seine Organe bereits Schaden genommen hatten. Bei Hämochromatose nimmt der Körper zu viel Eisen aus der Nahrung auf, scheidet den Überschuss aber nicht aus, sondern lagert ihn in den Organen ab. Die Erkrankung tritt dann auf, wenn man von beiden Eltern je ein mutiertes Hämochromatose-Gen geerbt hat. Sowohl die gesunden als auch die schadhaften DNA-Sequenzen sind identifizierbar, und Aull will im Heimexperiment prüfen, ob sie wie ihr Vater zwei defekte Genversionen hat. Wäre das der Fall, könnte sie noch rechtzeitig eine Therapie starten, um bei sich Organschäden zu verhindern. Trotz des in diesem Fall ernsten Hintergrunds sieht Aull ihre Forscheraktivität in erster Linie als spannendes Hobby. Sie gehört zu der Bostoner Gruppe der sogenannten "Do-it-yourself"-Biologen (DIY-bio), die zu Hause in improvisierten Labors experimentieren. Ähnlich wie man mit einem Chemiebaukasten auch in der heimischen Küche Substanzen verrühren und Messungen durchführen kann, arbeiten die Freizeitforscher mit biologischen Zutaten – wie Aull mit den eigenen Genen oder mit der DNA von Bakterien – und mit Gentechnik-Gerätschaften.

Allerdings gibt es keine vorgefertigten Gentechnik-Baukästen zu kaufen, deshalb tauschen die DIY-Biologen sich regelmäßig über "Rezepte" aus: detaillierte Tipps, wie Experimente ohne Profiausrüstung mit einfachen Haushaltsgeräten und -mitteln funktionieren, welche Laborgeräte man günstig selber bauen kann und wo unbedingt benötigte Apparate und Zubehör erhältlich sind. "Wir treffen uns einmal im Monat, ansonsten diskutieren wir per E-Mail", erzählt Aull. Rund 800 DIY-Biologen weltweit haben sich der Gruppe, die sich vor gut einem Jahr in Boston gründete, über die Website www. diybio.org auf virtuellem Wege angeschlossen.

Aull schabt sich zuerst mit einem ganz gewöhnlichen Wattestäbchen ein paar Zellen von der Mundschleimhaut. Um aus diesen Zellen die DNA herauszulösen, steckt sie den abgeschnittenen Stäbchenkopf mit der Gewebeprobe in einen kleinen, mit Salzlösung gefüllten Einwegbehälter aus Kunststoff, den Forscher statt des vollen Labornamens Eppendorf-Gefäß liebevoll "Eppi" oder "E-Cup" nennen. Das klemmt Aull dann in ein Loch ihres Kartoffelstampfers und hält es in einen Topf mit kochendem Wasser auf dem Gasherd, damit die Zellen durch die Hitze platzen und ihre DNA freigeben.

Um daraus eine größere Menge der DNA-Fäden zu erzeugen, damit eine ausreichende Anzahl für den Gen-Nachweis zur Verfügung steht, sind weitere Zutaten nötig: Mit einer handelsüblichen Spritze aus der Apotheke, wie sie auch Diabetiker verwenden, fügt sie der Reihe nach bestimmte Enzyme und DNA-Bausteine hinzu. Die Zutaten hat sie problemlos für weniger als 100 Dollar online bei Biotechnologie-Firmen bestellt, das Rezept lässt sich im Internet nachlesen.

Jetzt kommt das Eppi in eine Art Spezialkochtopf: In der bei eBay ersteigerten PCR-Maschine wird sein Inhalt mehrmals zu verschiedenen Höchsttemperaturen aufgekocht. In der nun ablaufenden Kettenreaktion, jener Polymerase Chain Reaction, die dem PCR-Gerät seinen Namen gab, setzen die Enzyme die DNA-Bausteine zu Tausenden Kopien des Hämochromatose-Gens zusammen. Danach wird Aull die neu entstandene Genmasse anfärben und die Lösung auf ein Gelkissen tröpfeln, um die DNA im letzten Schritt des Experiments unter Strom zu setzen.

Sobald sie den entsprechenden Laborapparat anschaltet, den sie ebenfalls bei eBay erworben hat, werden die farbigen und von Natur aus leicht elektrisch geladenen DNA-Stücke durch das Gel wandern. Aus dem entstehenden Farbmuster kann die Hausmacher-Biologin dann ablesen, ob sie zwei oder nur eine mutierte Genvariante geerbt hat – und wissen, ob sie die Krankheit Hämochromatose bekommt.

Die Hobby-Biologin Meredith Patterson hat nicht die eigenen Gene analysiert, sondern Joghurt-Bakterien mit neuen Genen zu Biosensoren umfunktioniert, zu mikrobiologischen Spürhunden für das Gift Melamin, mit dem 2008 in China Babynahrungsmittel verseucht worden waren. Für ihr Heimexperiment hat die hauptberufliche Programmiererin aus San Francisco zuerst einen überall erhältlichen Ultraschall-Schmuckreiniger zweckentfremdet: Mit den Schallwellen durchlöcherte sie die Zellmembran der Mikroben und schleuste anschließend ein grünes Farbstoff-Gen und ein Rezeptor-Gen für die Chemikalie Melamin hinein. Das Leuchtgen hatte sie bei einem Biotech-Versand bestellt und sich über den geeigneten Rezeptor in einer Online-Stoffwechsel-Datenbank informiert. Das Ergebnis ihres Versuchs konnte sich buchstäblich sehen lassen: Kamen ihre frisierten Bakterien mit dem Melamin in Kontakt, leuchteten die Mikroben grün auf.

Andere Freizeitforscher wollen nicht nur im stillen Kämmerlein experimentieren, sondern ganze Scharen von Gleichgesinnten mobilisieren, um gemeinsam Umweltuntersuchungen durchzuführen. Ähnlich wie die Seti-Forscher an der Berkeley-Universität in Kalifornien die Rechenkraft von Millionen privater Heimcomputer nutzen, um im All nach außerirdischen Signalen zu suchen, so haben sich im "BioWeatherMap Project" DIY-Biologen aus aller Welt zusammengeschlossen: Sie sammeln in verschiedenen Städten Bakterienproben von U-Bahn-Tür-klinken oder Ampeldruckknöpfen. Anhand der Proben wollen sie die geografisch unterschiedliche Zusammensetzung der Mikroorganismen-Fauna kartografieren. Und die New Yorker DIY-Gruppe hat kürzlich sogar eine "DNA-Extraktions-Straßenparty" veranstaltet, auf der Passanten mit ein wenig Spülmittel und Alkohol im Vorbeigehen Erbgut aus Äpfeln, Tomaten und Karotten isolieren konnten.

Die Gründer der DIY-Bio-Gruppe, Jason Bobe und Mackenzie Cowell, sehen sich als Bio-Hacker, in Anlehnung an die Computer-Hacker der achtziger Jahre. Sie wollen das Biotech-Handwerk so weit vereinfachen, dass Menschen mit Wissen oder Interesse an Biotechnologie auch ohne Profilabor kreativ arbeiten können. Doch die Heimklonierer wollen nach eigenem Bekunden kein verantwortungsloses Drauflos-Experimentieren propagieren. Meredith Patterson zum Beispiel sterilisiert sämtliche Utensilien, bevor sie wiederverwendet oder weggeworfen werden, um alle Bakterien abzutöten. Aull wiederum verwendet bei ihren DNA-Tests einen unbedenklichen Farbstoff, um die DNA sichtbar zu machen, und nicht das in jedem Profilabor verwendete giftige Ethidiumbromid. Dieser fluoreszierende Stoff lässt die DNA unter UV-Licht zwar besonders schön leuchten, ist aber krebserregend und muss als Sondermüll entsorgt werden.

Bobe und Cowell hoffen zwar, dass die DIY-Bewegung der Gentechnik ähnliche Impulse geben kann, wie es die Garagen-bastler mit selbst gestrickten PCs und Betriebssystemen für die Entwicklung der Computerindustrie getan haben. Doch eigentlich geht es den Akteuren in erster Linie um den Spaß an der Sache. Ihre Experimente sind in den USA legal und auch außerhalb von spezialisierten Labors erlaubt. Nicht so in Deutschland. Hier hat die Nachricht, dass Amateure in ihren Küchen mit lebendem Erbmaterial herumspielen und Bakterien manipulieren, bereits einige Beunruhigung ausgelöst. Sind die hausgemachten Bakterien gefährlich? Können sie entkommen? Gefährden die Freizeitforscher gar ihre Nachbarn? Noch bevor die DIY-Biologie überhaupt richtig gestartet ist, werden bereits Reglementierungen und Verbote gefordert.

Die Kritiker machen geltend, dass die DIY-Biologie außerhalb kontrollierbarer Bedingungen und durch nicht ausgebildete Personen stattfindet. Es könnte also durch unsachgemäße Handhabung von Bakterien und Chemikalien oder durch Unerfahrenheit zu Unfällen kommen; und womöglich könnten die im Internet kursierenden Anleitungen für die Gentechnik-Versuche auch von Kriminellen missbraucht werden, um Mikroorganismen mit gefährlichen Eigenschaften zu erschaffen.

Moderate Kenner der Materie, die sich im Prinzip mit verantwortungsbewussten Küchenexperimenten anfreunden könnten, zweifeln jedoch an der Qualität der Küchenforschung: Aus der Tatsache, dass studierten Biologen wie Aull, Bobe und Cowell gentechnische Untersuchungen zu Hause gelingen, könne man noch nicht schließen, dass dies auch jeder Laie schafft – und dann etwa im Fall einer Erbgutanalyse auch reproduzierbare, zuverlässige Ergebnisse bekommt. Was wäre, wenn ein schlampiges Experiment eine fatale Krankheitsdiagnose hervorbringt? Doch die wenigsten der Hausmacher-Biologen sind naturwissenschaftliche Laien. Kay Aull hat einen "Bioengineering"-Abschluss vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und arbeitet in einem Forschungslabor am Dana-Farber Cancer Institute in Boston. DIY-Bio-Gründer Jason Bobe ist Koordinator des Personal-Genomics-Projekts der Harvard University und dort auch für bioethische Fragen zuständig.

In Deutschland sind allerdings jegliche Experimente, die das Erbgut von Lebewesen verändern, außerhalb von genehmigungspflichtigen Labors untersagt. Diese strenge Gesetzgebung und die Gentechnik-skeptische Öffentlichkeit dürften mit dafür verantwortlich sein, dass sich unter den Heimwerker-Biologen noch kein Deutscher befindet. Die Untersuchung der eigenen DNA, wie es Aull praktiziert hat, ist Privatpersonen gesetzlich zwar nicht explizit verboten. Das Gentestgesetz schreibt aber vor, dass solche Untersuchungen nur von Experten durchgeführt werden dürfen. Bärbel Friedrich, Mikrobiologie-Professorin an der Humboldt-Universität in Berlin und Expertin für synthetische Biologie, verteidigt die deutschen Vorkehrungen im Umgang mit modifizierten Organismen, die Mindeststandards für die technische Ausstattung der Labors sowie bestimmte Grundkenntnisse der Forscher einfordern. Sie plädiert aber dafür, die irrationalen Ängste vor dem Arbeitsgebiet Gentechnik zu entkräften und auch Nicht-Biologen Einblick in Experimente des Fachgebietes zu vermitteln – "ohne ein Frankenstein-Image zu erzeugen, wie dies mit der Situation in den USA assoziiert wird".

DIY-Forscher wie Aull sehen dagegen kein Problem darin, dass Laien wissenschaftliche Experimente durchführen. Selbst wenn gentechnisch veränderte Bakterien in die Umwelt gelangen könnten, würden sie gegen seit Milliarden Jahren im Konkurrenzkampf stehende Bakterienstämme kaum bestehen können. Wer ein zusätzliches Gen zum Beispiel in ein Joghurt-Bakterium einschleuse, der zwinge den Stoffwechsel in der Regel dazu, zusätzlich Energie für dieses Gen aufzubringen – im täglichen Überlebenskampf ein Nachteil. Es ist, als müsste eine unsportliche Couchnudel gegen eine Bande Boxer kämpfen.

Und der kriminellen Absicht, Organismen per DIY-Gentechnik gezielt gefährlich zu machen, sind Experten zufolge technische Grenzen gesetzt: Nur in Speziallabors ist es zum Beispiel bislang gelungen, Viren zu rekonstruieren, die Kinderlähmung oder Pocken auslösen können – dergleichen sei im Heimlabor nicht machbar. Neben Know-how sind dafür aufwendige Versuchsanordnungen notwendig, die sich die Feierabend-Genetiker nicht alle kaufen oder nachbauen können. "Man kann nicht gegen die ferne Zukunft argumentieren", sagt Aull. Aber mit den bisherigen Techniken sei das sehr unwahrscheinlich. "Man kann aus Autoteilen keinen Panzer bauen."

Auch Nobelpreisträger David Baltimore vom California Institute of Technology ist "nicht sonderlich beunruhigt" über die DIY-Biologen und setzt auf die Eigenverantwortung der Forscher. Der Biochemiker gehört zu den Molekularbiologen der ersten Stunde, die sich 1975 bei der "Asilomar-Konferenz" Sicherheitskriterien für die damals noch neuen rekombinanten Gentechniken auferlegten, mit denen Erbgutmaterial von Bakterien, Viren und jedem anderen Organismus beliebig verknüpft werden kann. Die Forscher beschlossen beispielsweise, nur solche mutierten Darmbakterien zu verwenden, die außerhalb des Labors nicht überleben können. Asilomar habe einen Rahmen geschaffen für eine Biotech-Industrie, von der damals noch niemand wusste, wie sie sich entwickeln würde, sagt Baltimore.

Dass die Heimbiologen gut beraten sind, sich an Sicherheitsregeln zu halten, zeigt das Beispiel einer Kollegin von Aull: Sie hatte in ihrer Wohnung aus Kalziumcarbonat und Säure Kal- ziumchlorid herstellen wollen – ein Prozess, bei dem auch Kohlendioxid entsteht. "Die Lüftung im Küchenherd hat nicht ausgereicht", berichtet Aull, "sodass sie ohnmächtig wurde und ihr Freund sie aus der Wohnung tragen musste."

Ein Unfall, wie er auch jedem passieren kann, der eine Anleitung aus dem Chemie-Baukasten falsch ausführt. Aber solche Vorfälle erinnern Aull daran, dass sich ihre Bewegung wohl nur dann durchsetzen wird, wenn sie Regeln entwickelt, an die sich alle DIY-Biologen halten. Sogar das Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo die DIY-Bewegung ihren Ursprung nahm, drängt die Feierabend-Biologen, Sicherheits- und Haftungsfragen zu klären. Solange dies nicht geschehen ist, dürfen die Amateurteams mit ihren Entwicklungen auch nicht offiziell am iGEM-Wettbewerb (international Genetically Engineered Machine Competition) des MIT teilnehmen. Bei diesem jährlich stattfindenden Kräftemessen konstruieren Studententeams von Universitäten aus der ganzen Welt unter geregelten Laborbedingungen neue genetische "Schaltkreise", um Mikroorganismen mit neuen Eigenschaften auszustatten. Teilnehmen dürfen die Nachwuchsforscher nur dann, wenn sie ein Biosicherheits-Gutachten ihrer Universität vorlegen. Beim iGEM-Wettbewerb im vergangenen Jahr überzeugte ein Heidelberger Studententeam die Jury in mehreren Preiskategorien: Die Deutschen hatten das Erbgut von Darmbakterien so umgebaut, dass die Mikroben gezielt schädliche Keime und Tumorzellen aufspüren und abtöten können.

Für ihre Projekte können sich die Jungwissenschaftler aus einem – für Forscher öffentlichen – Arsenal von geprüften und für sicher befundenen Genbausteinen bedienen. Diese "Biobricks" fungieren etwa als An- und Ausschalter für Gene oder als Stopper, die das Ende eines Gens markieren. Damit sich die Biobausteine leicht zu den gewünschten genetischen Schaltkreisen kombinieren lassen, sind sie ähnlich wie Legosteine sozusagen mit molekularen Noppen und Vertiefungen ausgestattet.

Die slowenischen Gewinner des letztjährigen Hauptpreises konstruierten mithilfe der Biobrick-Sammlung einen Impfstoffkandidaten gegen das Bakterium Helicobacter pylori. Die Mikrobe kann im Magen Geschwüre oder Entzündungen hervorrufen und ist häufig resistent gegen Medikamente. Die Jungforscher kombinierten Gene des Übeltäters mit der DNA anderer Bakterien zu einer neuen Bauanleitung, mit der sich der Impfstoff herstellen lässt. Solche Ergebnisse sind von Freizeit-Gentechnikern vielleicht nicht zu erwarten. Die Bewegung dürfte trotzdem weiter wachsen und auch immer mehr Nicht-Biologen anziehen. Möglicherweise könnte genau die geprüfte Biobrick-Sammlung der Experimentierfreude einen Rahmen geben – und als Vorbild für Genbaukästen dienen, die wiederum Jugendlichen einen Einstieg in das faszinierende Fachgebiet der synthetischen Biologie ermöglichen. (bsc)