Synthetische Biologie

Synthetische Biologie ist ein Bereich, der Biologie und Technik kombiniert, um biologische Einheiten, Organismen oder Wege zu schaffen oder neu zu gestalten. Die Idee ähnelt der chemischen Synthese in der Chemie, bei der bekannte Reaktionen zur Synthese neuer chemischer Verbindungen verwendet werden. Das Endziel kann von der Schaffung neuer biologischer Wirkstoffmoleküle bis hin zur Modifikation von Organismen reichen, um sie in die Lage zu versetzen, Abfälle abzubauen. In diesem Video werden die Grundprinzipien der synthetischen Biologie und einige Techniken zur Konstruktion biologischer Module erläutert. Abschließend stellen wir einige reale Anwendungen dieses sich entwickelnden Bereichs vor.

Das Hauptziel dieses aufstrebenden Gebiets ist es, die Biologie und das Bioingenieurwesen als Werkzeug zu nutzen, um neue Moleküle und Organismen zu schaffen. Ähnlich wie bei einem Elektroingenieur, der einen funktionierenden Schaltkreis aus einzelnen elektrischen Komponenten erstellt, besteht ein Hauptziel der synthetischen Biologie darin, einen programmierbaren Mikroorganismus von Grund auf aus einzelnen Zellkomponenten zu schaffen. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt jedoch noch lange nicht erreichbar, vor allem, weil biologische Prozesse weniger verstanden sind. Dieses Ziel wird durch jüngste Fortschritte, wie z. B. die DNA-Sequenzierung der nächsten Generation, leichter erreichbar. Mit Hilfe der DNA-Sequenzierung können Forscher die Funktionen in DNA-sequenz-spezifischen Genen in Organismen identifizieren, die bestimmte wünschenswerte Eigenschaften besitzen. Dann kann die exakte DNA-Sequenz in großen Mengen synthetisiert und dann verwendet werden, um eine Zelle mittels Transfektion genetisch zu verändern. Transfektion ist der Prozess des Einfügens von genetischem Material wie DNA oder RNA in Säugetierzellen. Wenn die Technik an Bakterienzellen durchgeführt wird, wird sie als Transformation bezeichnet. Bei diesem Prozess wird die DNA häufig mit positiv geladenen Trägermolekülen komplexiert oder in einem positiv geladenen Liposom oder Polymerpartikel, wie z. B. Polyethylenimin, kondensiert. Der positiv geladene Komplex bindet sich an die negativ geladene Zellmembran und gelangt dann über die Endozytose in die Zelle, ein Prozess, bei dem Moleküle über membrangebundene Vesikel, sogenannte Endosomen, in eine Zelle gelangen. Sobald sich das genetische Material in der Zelle befindet, verlässt es das Endosom und gelangt schließlich in den Zellkern, wo die Zellmaschinerie in der Lage ist, MRNA und dann Protein daraus herzustellen. Nachdem wir nun die Grundlagen der synthetischen Biologie vorgestellt haben, werfen wir einen Blick auf einige Transfektionstechniken, die im Labor häufig verwendet werden.

Die Elektroporation ist eine Technik, bei der mit Hilfe einer Elektrode winzige Poren in der Zellmembran erzeugt werden, durch die die DNA hindurchgelassen wird. Zunächst wird der Boden jeder Vertiefung einer 48-Well-Platte mit 250 Mikrolitern Antikörper beschichtet und mit Kalzium und Magnesium gepuffert. Anschließend werden die Platten bei 37 Grad inkubiert. Als nächstes wird die RNA für die Transfektion vorbereitet. Ein Mikroliter RNA-Stammlösung wird für jede separate Transfektion in ein Mikrozentifugenröhrchen aliquotiert, wobei die Röhrchen auf Eis verbleiben. Die mit Antikörpern beschichteten Platten werden dann mit Puffer gewaschen, bevor das Zellmedium zugegeben wird. Die Zellen werden vom Boden der Gewebekulturvertiefungen gelöst, in einem Zentrifugenröhrchen gepoolt, pelletiert und resuspendiert. Die Zellen werden gezählt und ihre Lebensfähigkeit beurteilt. Dann wird jedem Aliquot der RNA ein kleines Zellvolumen hinzugefügt. Die Zellen in der RNA werden dann in eine Pipettenelektrodenspitze geladen und mit einem elektrolytischen Puffer in eine Glasküvette gegeben. Die Küvette wird in den Halter eingelegt und die Pipettenelektrode in die Küvette gelegt. Die Zellen werden mit einer gepulsten Spannung von etwa 1500 Volt elektroporiert. Nachdem die Elektroporation abgeschlossen ist, werden die Zellen mit Zellkulturmedien in einer Kulturplatte vermischt und entweder verwendet oder gelagert.

Eine weitere Technik ist die Hitzeschockmethode, bei der mithilfe von Hitze Öffnungen in der Zellmembran geschaffen werden. Zunächst werden das entsprechende Medium und der Agar vorbereitet und sterilisiert. Dann wird der abgekühlte Agar, der das Antibiotikum enthält, in Platten gegossen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Anschließend wird ein Wasserbad auf 42 Grad Celsius eingestellt und die chemisch kompetenten Zellen auf Eis aufgetaut. Ein bis fünf Mikroliter eines Nanogramms pro Mikroliter kaltem Plasmid werden zu den aufgetauten Zellen gegeben und schonend gemischt. Dann wird das Zell-Plasma-Gemisch für 30 Minuten wieder auf das Eis gebracht. Nach dieser Inkubation auf Eis wird das Zellgemisch in das Wasserbad gelegt, um es 30 Sekunden lang einem Hitzeschock zu unterziehen. Das Zell-Plasmid-Gemisch wird dann sofort auf Eis gelegt und mit frischem Medium versetzt. Dann wird das Zellgemisch für eine Stunde bei 37 Grad Celsius in einen Schüttelinkubator gelegt, damit sich die Zellen erholen können. Anschließend werden die Zellen auf den Agarplatten kultiviert, indem 20 bis 200 Mikroliter der kultivierten Bakterien auf die Platte gegeben und dann verteilt werden. Die Platten werden dann über Nacht inkubiert. Am nächsten Tag sollten die Agarplatten ein Koloniewachstum aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Zellen das Plasmid aufgenommen haben. Diese Kolonien können nun für weitere Experimente genutzt werden.

Nachdem wir nun einige gängige Transfektions- und Transformationsmethoden vorgestellt haben, werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen dieses neuartigen Feldes. Gentechnisch veränderte Bakterien könnten zur Sanierung der Umwelt verwendet werden, z. B. zur Zersetzung von Ölrückständen. Mit Hilfe von Techniken der synthetischen Biologie könnten maßgeschneiderte Organismen so konstruiert werden, dass sie bestimmte Umweltschadstoffe abbauen. Dies kann zu geringeren Reinigungskosten führen als bei typischen arbeitsintensiven Reinigungsmethoden. Synthetisch aufgebaute molekulare biologische Systeme könnten auch geschaffen werden, um bestimmte Krankheiten wie Krebs zu diagnostizieren und zu behandeln. Diese Organismen könnten so geschaffen werden, dass sie auf die charakteristischen Signaturen oder Antikörper von Krebszellen reagieren. Außerdem könnten sie durch programmiertes Targeting bei der Behandlung infizierter Zellen helfen.

Sie haben gerade Jove’s Introduction to Synthetic Biology gesehen. Sie sollten nun mit den Zielen dieses neuartigen Gebietes und einigen Techniken vertraut sein, die verwendet werden, um Organismen zu verbessern und schließlich zu erschaffen, um aktuelle Weltprobleme zu bekämpfen. Danke fürs Zuschauen.