Bioteile aus der Fabrik

In einem Lagergebäude in Boston, eingepfercht zwischen einem Trockendock für Kreuzfahrtschiffe und dem Hauptquartier der US-Bäckereikette "Au Bon Pain", sitzt Ginkgo BioWorks, ein neues Biotech-Start-up, das die synthetische Biologie einfacher machen will als Brotbacken. Die Firma, die von fünf MIT-Wissenschaftlern gegründet wurde, bietet ihren Kunden eine ganz spezielle Dienstleistung: Sie baut auf Abruf biologische Teile zusammen, etwa Stränge spezifischer Gene, die dann in Industrie oder Forschung verwendet werden können.

Die Idee erinnert ein bisschen an Rapid Prototyping im Maschinenbau, nur eben für die Biologie. "Wir stellen das gewünschte Teil her, testen es für den Kunden und erweitern es dann", sagt Reshma Shetty, Mitglied des Gründerteams. "Die Kunden können sich stärker auf das Design konzentrieren, statt sich um Routineaufgaben wie die DNA-Herstellung kümmern zu müssen." Ein sehr einfaches Projekt wie die Produktion zweier DNA-Abschnitte koste dann nur noch 100 Dollar, wird mehr Material benötigt, eben mehr.

In der synthetischen Biologie wird versucht, künstliche Organismen, die nützliche Aufgaben erfüllen, systematisch zu entwickeln und herzustellen – unter Verwendung neuester Gentechnik-Werkzeugen. Das kann beispielsweise ein Lebewesen sein, das bestimmte Chemikalien besonders effizient herstellt – oder ein Bakterium, das Umweltgifte verdaut. Ziel dabei ist stets, neue Funktionen zu erstellen, statt nur natürliche Organismen mit ein paar genetischen Tricks zu verbessern.

Ginkgo baut auf technischen Grundlagen auf, die von MIT-Forscher und Firmengründer Tom Knight stammen, der seine Wissenschaftlerkarriere einst als Ingenieur begonnen hatte. "Ich interessiere mich dafür, Biologie von einer Art Handwerk, bei dem alles jedes Mal ad hoc ein bisschen anders gemacht wird, in eine Ingenieurdisziplin zu verwandeln, bei der es standardisierte Methoden gibt, Informationen zu ordnen und standardisierte Teile, die man dann zur Erfüllung jeder gewünschten Aufgabe zusammenbauen kann", sagt er.

Forscher schaffen solche Bioteile normalerweise durch die Kombination von Genen mit bestimmten Funktionen. Enzyme werden dabei als Verbindungs- und Trennwerkzeug für DNA verwendet. Aktuell wird dieser Prozess normalerweise von Labortechnikern oder Master-Studenten übernommen; entsprechend langsam ist er. Auch ist das Endergebnis normalerweise kaum für andere Projekte zu gebrauchen. Knight entwickelte deshalb eine Standardmethode, DNA-Teile zu kombinieren. Diese "BioBricks" genannte Norm, bei der jedes DNA-Stück auf beiden Seiten mit DNA-Verbindungsteilen ausgestattet ist, macht es leicht, gewünschte Stücke schnell auszutauschen.

"Wenn sich ein Bioteil an diese Regeln hält, können wir zum Bau größerer Konstrukte immer wieder die gleichen Reaktionen verwenden", sagt Knight. "Das erlaubt uns, den Zusammenbau synthetischer Organismus zu standardisieren und zu automatisieren." 100 verschiedene Versionen einer Idee herzustellen, sei künftig problemlos möglich. "Manuell wäre das ein mühseliger Prozess." Das bislang komplexeste Bioteil, das Ginkgo jemals hergestellt hat, bestand aus einem DNA-Stück mit 15 Genen und insgesamt 30.000 DNA-Buchstaben. Es wurde für einen privaten Partner gebaut, über die Funktion schweigt das Unternehmen derzeit aber noch.

Die Zusammenstellung passender Teile ist jedoch nur ein Teil der Herausforderungen beim Bau synthetischer Organismen. Verschiedene Gene können unvorhergesehene Auswirkungen aufeinander haben, was die gewünschte Funktion möglicherweise stört. "Zu den Dingen, die wir bald tun können, gehört auch, Hunderttausende von Varianten eines bestimmten Signalweges zu schaffen, bei dem es nur sehr kleine Veränderungen gibt", sagt Knight. So sei es dann möglich, die am besten funktionierende Version zu bestimmen.

Die größte Nachfrage nach der Technik von Ginkgo BioWorks kommt derzeit von Firmen, die Chemikalien für Kosmetika, Parfüm und Aromastoffe produzieren. "Viele von ihnen versuchen, schmutzige chemische Prozesse durch umweltfreundlichere biologische Verfahren zu ersetzen."

Noch ist das Gebiet der synthetischen Biologie überschaubar – Ginkgo gehört zu einer Handvoll US-Firmen in dem Sektor. Codon Devices, ein eigentlich gut finanziertes Start-up, das DNA synthetisierte, gab in diesem Jahr auf. "Die Herausforderung liegt nicht mehr darin, Gene zu synthetisieren, da gibt es schon einige Firmen, die das tun", meint Shetty. Wichtiger sei der Aufbau von Signalwegen, die dann tatsächlich die Herstellung spezifischer Chemikalien ermöglichten, beispielsweise zur Treibstoff-Herstellung.

Im Gegensatz zu Codon hat Ginkgo zudem klein angefangen. Die Firma bekam nur etwas Startkapital und einen Kredit über 150.000 Dollar vom regionalen Förderprogramm Lifetech Boston. Der Laborbereich der Firma steht zwar voller PCR-Maschinen, die DNA vervielfältigen, das Handling ist mit Robotern automatisiert. Die beeindruckende Technik wurde aber größtenteils billig bei eBay oder von Firmen eingekauft, die in Konkurs gegangen waren. Zudem hat Ginkgo bereits ein kommerzielles Produkt auf dem Markt: Ein Kit, das durch New England Biolabs verkauft wird und es Wissenschaftlern erlaubt, sich selbst Bioteile zusammenzustellen.

"Wenn die Firma erfolgreich ist, wird sie der synthetischen Biotechnologie wichtige Dienste erweisen können", glaubt Experte Chris Voight von der University of California, San Francisco. Kein anderes Unternehmen biete derzeit einen ähnlichen Service, bei dem Einzelteile klassifiziert und verkauft würden. "Diese Arbeit und die dafür notwendige Forschung muss außerhalb der Universitäten erfolgen – entweder bei solch einem Unternehmen oder im Non-Profit-Bereich." (bsc)