Genom-Programmierung gegen Krankheiten

Forscher haben auf einer Fachtagung Verfahren aus der synthetischen Biologie vorgestellt, um die Produktion von Grippe-Impfstoffen zu beschleunigen oder Zellen zu aktiven medizinischen Helfern zu machen.

Das wahre Damokles-Schwert im globalen Dorf dieser Tage ist die nächste Grippe-Pandemie. Seit Jahren warnen Forscher, dass die Mutation eines Erregers zu einem tödlichen Virus nur eine Frage der Zeit ist. Sollte dieser Fall eintreten, sind in kurzer Zeit große Mengen Impfstoff nötig. Doch deren Herstellung dauert mit herkömmlichen Methoden einige Monate. Nun versucht der Pharmakonzern Novartis, diesen Prozess mit Hilfe der synthetischen Biologie abzukürzen. Die umfasst Verfahren, um Genome ingenieurmäßig mittels standardisierten Genbausteinen umzuprogrammieren.

Novartis-Biologen synthetisierten zunächst das Genom eines Virus und ließen dieses dann von Zellkulturen vervielfältigen. Ein solches synthetisches Virus könnte weltweit produziert und rasch verteilt werden, wenn das Genom des echten Erregers erst einmal sequenziert ist. Bislang sind Forscher hingegen auf Virenproben aus den Grippeherden angewiesen, die sie dann in Hühnereiern vermehren.

In ihrem Verfahren kombinieren die Biologen Genomabschnitte, die in den meisten Grippeviren vorkommen, mit speziellen Gensträngen aus aktuellen Erregern. 2011 testeten sie bereits Genstränge aus dem Vogelgrippe-Virus. Eine neue Variante aus dessen Erregerstamm, dem H7N9-Virus, breitet sich seit einigen Wochen in China aus.

In dem damaligen Test habe man mit der Genomsynthese Montag morgens begonnen und am darauffolgenden Freitag schon eine arbeitsfähige Zellkultur gehabt, die das Virus vermehrt, berichtete Philipp Dormitzer, Leiter der Viren-Impfstoffforschung bei Novartis, kürzlich auf einer Fachtagung am MIT.

Bislang nutzt man Verfahren der synthetischen Biologie in der Medizin, um von Einzellern Medikamente herstellen zu lassen. Sehr erfolgreich läuft bereits die Produktion des Anti-Malaria-Wirkstoffs Artemisinin.

Aber auch für andere medizinische Probleme erhoffen sich Wissenschaftler zunehmend Lösungen aus der synthetischen Biologie. Die Harvard-Biologin Pam Silver stellte auf der Tagung ein „zellbasiertes Rechenverfahren“ vor. In dem übernehmen synthetische Proteine die Rolle von logischen Gattern, den Grundbausteinen herkömmlicher Silizium-Computer. Diese Protein-Gatter sollen die Tatsache speichern können, dass eine Zelle radioaktiver Strahlung ausgesetzt war. „Das könnte langfristig für die Raumfahrt interessant sein“, sagt Silver. Vielleicht könnte man die biologischen Logik-Gatter auch für die Speicherung von anderen Bioinformationen in Zellen nutzen. Bisher hat Silver ihr Konzept in Hefezellen umgesetzt, es sei aber auch auf menschliche Zellen anwendbar, versichert sie.

Douglas Melton von der Harvard University möchte wiederum Stammzellen so programmieren, dass sie bestimmte Zelltypen ersetzen können, die bei einer Krankheit verloren gegangen sind. Bei Typ1-Diabetes etwa sind dies die Beta-Zellen, die den Blutzuckerspiegel messen und Insulin produzieren.

„Dafür muss man verstehen, wie man die Zelle dazu bringt, bestimmte Gene an- oder abzuschalten“, sagt Melton. Bisher sei es seiner Gruppe nur gelungen, etwa die Hälfte der verwendeten Stammzellen zu Betazellen umzuprogrammieren. Warum die andere Hälfte sich anders entwickele, wisse man noch nicht. Doch auch die neuen Beta-Zellen benehmen sich noch nicht wie die körpereigenen. Se reagierten noch nicht differenziert genug auf die jeweilige Glucose-Konzentration. „Unsere Zellen produzieren Insulin schon beim geringsten Anzeichen von Glucose.“

Der Schweizer Biologe Martin Fussenegger von der ETH Zürich will hingegen ganz neue Genschaltkreise in Zellen einbauen. Die sollen dann auf den pH-Wert des Blutes reagieren. Ist der niedrig, was ebenfalls auf einen diabetischen Zustand deutet, würden die Zellen Insulin erzeugen.

Um neue DNA für zusätzliche Genschaltkreise ins Genom zu transportieren, setzen Biologen meist Viren ein. Diese so genannten Vektoren sind jedoch nicht ohne Risiko, weil sich noch nicht kontrollieren lässt, dass sie die Genabschnitte an den richtigen Stellen einbauen. Tun sie es nicht, kann die Veränderung die manipulierte Zelle zu einer Krebszelle werden lassen.

Harvey Lodish vom MIT konzentriert sich deshalb auf die Herstellung von roten Blutkörperchen im Labor. Denn die stoßen im Unterschied zu anderen Körperzellen ihren Zellkern ab, wenn sie voll entwickelt sind. Lodish verändert die Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen mit Hilfe eines Retrovirus so, dass sie bestimmte Proteine auf der Zellhülle ausbilden. Wenn der Zellkern längst ausgeschieden ist, könnten die Proteine immer noch als Andockstelle für Antikörper dienen, die Schadstoffe aus dem Blut fischen, oder für medizinische Wirkstoffe, die an bestimmte Stellen im Körper transportiert werden sollen. Derartig veränderte rote Blutkörperchen seien „120 Tage ohne jedes Tumorrisiko“, sagt Lodish. So könnte die synthetische Biologie vielleicht auch sicher im menschlichen Körper genutzt werden.

(nbo)