Programmierte Zellen als Krebskiller

Computerwissenschaftler revolutionieren die Biologie: Sie verpassen Zellen genetische Schaltkreise mit logischen Funktionen – und entwickeln Helfer bei Krankheiten oder biologische Sensoren.

Als Tom Knight in den 60er Jahren am Massachusetts Institute of Technology (MIT) studierte, erlebte er, wie Computer vom Labor aus die Welt eroberten. 30 Jahre lang entwickelte Knight am MIT die Informationstechnik weiter, half beim Aufbau des Internet-Vorgängers Arpanet, baute an den ersten Büro-Computern mit.

Dann hatte Knight eine Eingebung, die sein Leben verändern sollte: „Anfang der 90er Jahre begann ich, mich für Biologie zu interessieren“, erinnert sich der Informatiker. Er vertiefte sich in die Wissenschaft von Zellen und Genen, führte Experimente durch – und baute im Computerlabor am MIT eine Abteilung für Molekularbiologie auf.

Knight war klar geworden, dass man Biologie genauso wie die Informatik als eine Informationstechnik betrachten konnte: Computer schoben Bits und Bytes hin und her – Zellen verarbeiteten Atome und Moleküle. Die DNA, das Erbgut der Zelle, enthielt die Software mit den Steuerbefehlen. Und diese Software wollte Knight beherrschen.


Im Laufe der 90er Jahre entwickelte Knight Verfahren, die nun zur Grundlage einer ganzen Biotech-Industrie werden: Standardisierte DNA-Codes, die in Zellen bestimmte Funktionen und logische Operationen auslösen und sich mit einander verschalten lassen - wie in einem Computerprogramm oder einem Elektronik-Baukasten: Wenn Botenstoff A die Menge B überschreitet, aktiviere Gen C. Biobricks nannte er diese Code-Bauteile, Legosteine des Lebens. Mehr als 10.000 dieser genetischen Schaltkreise sind inzwischen in einer Internet-Datenbank gespeichert, entwickelt von Forschern in aller Welt. Sie entdecken, was in einer Zelle und außerhalb passiert, prozessieren diese Daten und verändern die Vorgänge in der Zelle. Die nötige DNA lässt sich im Labor zusammenbauen und dann in die gewünschten Zellen schleusen.

Es gibt Biobricks, die biologische Prozesse verstärken oder hemmen – wie ein Thermostat, das bei zu hoher Raumtemperatur die Heizung herunterregelt. Es gibt biologische Zähler, die etwa messen, wie oft eine Zelle sich geteilt hat – und so vielleicht Krebszellen identifizieren, die sich zu oft teilen. Es gibt Schalter, die biologische Prozesse starten, etwa die Produktion eines leuchtenden Proteins auslösen, wenn eine ausgewählte Chemikalie in die Zelle eindringt.

Der MIT-Forscher Alec Nielsen ist überzeugt, dass genetische Schaltkreise bald eine blühende Industrie werden. „Zellen erfüllen in der Natur bemerkenswerte Rechenaufgaben, um zu überleben“, sagt Nielsen. Diese Potential werde die Biotechnologie in Zukunft nutzen: Für robustere Nutzpflanzen, neuartige medizinische Therapien und Designer-Organismen, die verschiedenste Produkte in Tanks produzieren.

Erste spielerische Ansätze zeigen, wie weit das Programmieren der Natur gehen kann: MIT-Forscher entwickelten im Projekt »Eau d’e coli« Bakterien, die in der Wachstumsphase nach Heidekraut dufteten und im ausgewachsenen Zustand nach Bananen. Andere bauten lebendige Computermonitore, in denen Bakterienzellen die Rolle von digitalen Pixeln übernahmen.


Inzwischen setzen auch Unternehmen weltweit große Hoffnungen auf die Technik. Denn mit dem Repertoire der biologischen Legosteine lassen sich nun nützliche Designer-Zellen entwickeln. Das Start-up Kaitek Labs aus Chile beispielsweise nutzt die Rechenpower von Bakterien, um aus ihnen Sensoren herzustellen. Das erste Produkt der Chilenen ist ein Test-Kit, das verdorbene Meeresfrüchte erkennt, um Lebensmittelvergiftungen vorzubeugen. Bringt man eine Probe der Muscheln oder anderer maritimer Köstlichkeiten mit einer Flüssigkeit voller Designer-Bakterien zusammen, verfärbt sich die Lösung, wenn im Meeresgetier bestimmte Giftstoffe in zu großen Mengen vorhanden sind. Auf ähnliche Weise lassen sich Landminen, Parasiten oder Schadstoffe im Wasser aufspüren.


"Biologie ist Nanotechnologie"

Eine Gruppe um den MIT-Forscher Xuanhe Zhao hat kürzlich einen Plastikhandschuh entwickelt, auf dem solche Sensor-Bakterien dauerhaft leben – immer einsatzbereit, um bei Kontakt mit bestimmten giftigen Chemikalien gelb aufzuleuchten. Dazu haben sie einen biokompatiblen Kunststoff entwickelt, in dem winzige Kanäle mit Wasser enthalten sind, in dem die Bakterien schwimmen. Jede Fingerspitze des Handschuh-Prototypen reagierte auf ein anderes Umweltgift.

MIT-Forscher Nielsen hat kürzlich ein Start-up namens Asimov gegründet, finanziert vom renommierten Wagniskapitalgeber Andreessen Horowitz, das den Bau von Bio-Bricks so leicht machen will wie das Schreiben einer Smartphone-App. „Wir haben eine Plattform entwickelt“, sagt er, „mit der Biologen Schaltkreise entwickeln können, die dann automatisch in genetischen Code übersetzt werden.“ Auf Basis dieses Coder-Baukastens für Erbgut könnten Biologen künftig hilfreiche Lebewesen entwickeln: Bakterien, die im Magen helfen, Laktose zu verdauen; Organismen, die auf den Wurzeln von Pflanzen leben und Insektizide produzieren, wenn sie spüren, dass die Pflanze angegriffen wird; oder Mikroben, die im Körper Krankheiten aufspüren und dann heilende Wirkstoffe produzieren.

Letzteres wollen Forscher am Weiss Lab for Synthetic Biology am MIT erreichen. Die Forscher publizierten Anfang Februar im Fachmagazin Science einen Aufsatz über den Nutzen genetischer Schaltkreise für die Medizin. Demzufolge lassen sich Gen-Zirkel entwickeln, die erkennen, ob eine Zelle mit einem HI-Virus befallen ist – und dann eine Selbstmord-Sequenz auslösen, damit die Zelle das Virus nicht weiterverbreitet.


Auch dem Krebs sind die Forscher auf der Spur. Krebszellen zu erkennen, ist deutlich schwieriger als ein einzelnes Virus, denn es gibt nicht ein einziges bestimmtes Merkmal, mit dem sich die Krankheit verraten würde. Dennoch gelang es den MIT-Forschern immerhin im Labor, Schaltkreise zu entwickeln, die Krebszellen identifizierten und dann die Produktion eines passenden Proteins ankurbelten, das die mutierten Zellen zerstörte. Noch hat die Technik ihre Hürden. Längst sind nicht alle Wechselwirkungen und Nebenwirkungen bekannt, die in der Interaktion von tausenden natürlichen und künstlich erzeugten Genen entstehen können. Auch ist es nicht immer leicht, neue Gene in Zellen einzubringen – bei Bakterien und Blutzellen funktioniert es noch relativ leicht, bei Muskel- oder Organzellen wird es komplizierter.

BioBricks-Erfinder Tom Knight ist dennoch optimistisch, dass die Technik eine ganz neue Welt eröffnen wird. Auch er hat ein Start-up gegründet, Ginkgo Bioworks, das in Boston Designer-Bakterien für die Industrie entwickelt und sagenhafte 430 Millionen Dollar eingesammelt hat, um Organismen dazu zu bringen, Aromen, Chemikalien oder Medikamente herzustellen.

Künftig ließen sich so Produkte herstellen, von denen wir heute noch nicht einmal träumen, glaubt Knight. „Biologie ist Nanotechnologie“, erklärt er. Mit ihr ließen sich künftig Atome neu stapeln, wie es dem Menschen am besten diene. Ein Lego des Lebens eben, gebaut von Menschen.