Was kann die synthetische Biologie bereits leisten? Wie können neue Bio-Systeme geschaffen werden? Als wesentliches Element der modernen Biotechnologie und zentraler Anknüpfungspunkt gesellschaftlicher Debatten kristallisiert sich heute der „Zugriff der Ingenieure auf das Leben" heraus [1]. Dabei ist allerdings zu bedenken, dass Lebewesen bereits seit Jahrhunderten, verstärkt aber seit einigen Jahrzehnten technisch genutzt und manipuliert werden.

Disziplinen der Biowissenschaften, in denen ein technischer Ansatz verfolgt wird, sind beispielsweise die Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik, Gentechnik und Nanobiotechnologie. Die langfristigen Ziele der Biotechnologie sind vielfältig: die Herstellung von intelligenten Arzneimitteln, die Gewinnung sauberer Energie aus nachwachsenden Rohstoffen, das Design von massgeschneiderten Therapeutika, die Durchführung sauberer Chemie und die Herstellung von neuen, komplizierten Verbindungen. Bis jetzt verbessern Biotechnologen erfolgreich manche natürlichen Vorlagen der Natur (siehe Penicillin und Ethanol Produktion), führen limitierte Veränderungen an biologischen Systemen durch (Antikörperproduktion) und/oder erhöhen die Titer bzw. Ausbeuten innerhalb von Bioprozessen. Das Dilemma der Biotechnologie ist die Komplexität der verwendeten Biokatalysatoren.

Die Motivation der Biokatalyse ist es daher, die Prozesse oder Manipulationen (innerhalb einer Zelle) so umzugestalten, dass die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können. Eine große Herausforderung ist dabei der erfolgreiche Einbau von Bausteinen in biologische Systeme (Zellen). Selbst einfachste Zellen verfügen über stark verknüpfte Netzwerke, die das Einbringen von neuen Funktionalitäten nur im Kontext erlauben. Die komplizierten Netzwerke innerhalb einer Zelle sind (noch) nicht verstanden und werden von Systembiologen erforscht. Schon der Einbau eines einzelnen Gens kann das metabolische Netzwerk einer Zelle beeinflussen, dementsprechend schwierig ist die genaue Vorhersage, wie sich umfangreichere Veränderungen verhalten könnten. Dieses „Metabolic Engineering" thematisiert dabei die direkte Verbesserung von Produktbildung oder zellulären Eigenschaften eines bioverfahrenstechnischen Prozesses, indem spezifische biochemische Reaktionen modifiziert werden oder neue Reaktionswege mit Hilfe der rekombinanten DNA Technologie eingefügt werden.

Im Rahmen der synthetischen Biologie versucht man mit biologischen Systemen ähnlich systematisch und teilweise vereinfacht umzugehen, und untersucht, ob und wie man vereinfachte Zellen, sogenannte Chassis, mit standardisierten (DNA-) Teilen (um-) bauen kann um hyperproduzierende Biokatalysatoren rational zu entwickeln [2].

Im Folgenden werden hierzu Konzepte der synthetischen Biologie sowie einige aktuelle Tools und Methoden vorgestellt.

Ganzzellbiokatalysatoren - Enzyme als Basiselemente

Bei der Ganzzellbiokatalyse wird die Stoffwechselleistung biologischer Systeme als Katalysator zur Synthese hochwertiger Substanzen aus günstigen Substraten bzw.

Vorstufen ausgenutzt.

Der Einsatz von Ganzzellbiokatalysatoren birgt großes Potenzial. Dies wird unter anderem bei der Betrachtung der Vielfalt der vorhandenen Enzyme ersichtlich. Allein in der Protein- und Enzymdatenbank BRENDA (BRaunschweig ENzyme DAtabase) sind 843.880 Enzyme verzeichnet, die in der Lage sind 8.919 Reaktionstypen zu katalysieren [3]. Diese Gesamtheit an Enzymen kann dabei 197.433 verschiedene Substrate in 172.301 Produkte umwandeln. Durch Verknüpfung geeigneter Enzyme zu Enzymkaskaden können unterschiedlichste Stoffwechselwege generiert werden, durch die eine kombinator-siche Vielfalt an Metaboliten in Zellen synthetisiert werden können.

Um ein biologisches System (hier ein Ganzzellbiokatalysator) zu konstruieren, welches eine definierte, beabsichtigte Funktion ausübt (in diesem Fall die Synthese einer hochwertigen Substanz aus einem günstigen Substrat) muss man theoretisch nur die für den Stoffwechselweg benötigten Enzyme identifizieren, deren Funktion in die universelle Sprache der Biologie übersetzten (DNA-Sequenz) und in Systeme integrieren, die eine funktionelle Expression der Enzyme und somit des Stoffwechselweges in einem Wirtsorganismus gewährleisten [4].

Durch diesen Ansatz ist die Einwicklung einer synthetischen Biologie möglich, die das Design von neuen, z. T. artifiziellen Stoffwechselwegen und damit den biologischen Zugang zu neuen Produkten für die Bioökonomie eröffnet.

Standardisierung und Modularisierung

In Anlehnung an etablierte Ingenieurwissenschaften, in denen bei der Konstruktion komplexer Systeme auf Standardbauteile und -Komponenten zurückgegriffen wird, z. B. Extraktions- oder Rektifikationsmodule des Downstream Processing in der Verfahrenstechnik oder modulare Schaltungskomponenten in der Elektrotechnik, muss es möglich sein, biologische Module, die eine biologische Standardfunktion ausführen, zu identifizieren und mit anderen Modulen zu Systemen zusammenzusetzen, so dass das System eine höhere Funktion ausüben kann. Solche Module könnten ein Ansatz dafür sein, ein System leichter in Zellen zu integrieren und dessen Verhalten vorherzusagen.