NanoPhotometer NP80

Special: Synthetische Biologie & Biotechnologie
puts zu kämpfen, mussten beispielsweise
Änderungen an einem der Promotoren vornehmen.
Denn auch wenn jeder einzelne
Baustein für sich genommen vorhersagbar
agiert, kann die Kombination mit anderen
Elementen Probleme bereiten.
„Das Aufskalieren des Systems ist die
Herausforderung“, stellt Benenson fest und
verweist noch auf einen weiteren Aspekt:
„In einem elektronischen Schaltkreis kann
man tausend gleiche Transistoren haben, in
der Zelle muss aber jede Komponente einzigartig
sein.“ Das leuchtet ein, schließlich
schwimmt jeder Transkriptionsfaktor und
jedes RNA-Molekül in derselben Zelle; man
kann nicht einfach einzelne Komponenten
mit Kabeln isolieren. Es kann also zu unvorhersehbaren
Wechselwirkungen kommen,
denn schließlich nutzt ja auch die Zelle ihre
eigenen, ganz natürlichen Schaltkreise. Daher
ist es sinnvoll, sich als „Synthetik-Biologe“
die Bausteine für Gen-Schaltkreise bei
möglichst weit entfernten Arten zu leihen.
Wer Säugerzellen umprogrammieren will,
sollte sich besser bei Bakterien bedienen als
bei anderen Wirbeltieren. Denn die Wahrscheinlichkeit,
dass ein prokaryotischer
Promotor von einem eukaryotischen Protein
besetzt wird, ist gering. „Wenn Sie aber
jetzt zwanzig bakterielle Komponenten
nehmen“, wirft Benenson ein, „dann können
die natürlich auch wieder untereinander
wechselwirken.“
Noch wäre es also ziemlich riskant,
einfach auf dem Papier einen genetischen
Schaltkreis zu entwerfen und diesen dann
therapeutisch an menschlichen Patienten
einzusetzen. Obwohl gerade darin der besondere
Reiz besteht, wenn man an personalisierte
Medizin denkt: den speziellen
Tumor des Patienten charakterisieren und
dazu ein individuelles Gentherapeutikum
designen. Trotzdem glaubt Benenson an
das therapeutische Potential des Ansatzes
und macht weiter – und zwar nicht nur in
Zellkulturen. „In unserer Gruppe arbeiten
wir schon seit einer Weile an einem präklinischen
Tiermodell“, verrät er. „Wir haben
durchaus ein paar Ideen, wie man dieses
Konzept auf lebende Organismen übertragen
kann.“ Auf Details will er zum jetzigen
Zeitpunkt aber noch nicht eingehen.
Grenzen errechnen
Auch in Deutschland programmiert
man an Genomen, so etwa an der Uni Freiburg
in der Arbeitsgruppe von Wilfried Weber.
Dort arbeitet die Biochemikerin Katja
Kolar gerade an ihrer Promotion. Studiert
hat die gebürtige Slowenin in Ljubljana und
Kalifornien und hatte bereits mehrfach an
der International Genetically Engineered
36
Machine Competition (iGEM) teilgenommen.
Beispielsweise 2009 im Team der
UCSF, das menschliche HL-60-Zelllinien
so umgebaut hatte, dass sie chemotaktisch
bestimmten Liganden-Gradienten folgen
konnten (http://2009.igem.org/Team-
:UCSF). Ein weiterer Baustein, den man
irgendwann verwenden könnte, um das
Science Fiction-Szenario aus der Einleitung
Realität werden zu lassen!
Kolar bastelt aber nicht nur an einzelnen
Zellen. Vielmehr programmiert
sie ganze Zellgruppen und stattet sie mit
unterschiedlichen Schaltkreisen aus. In
Foto: privat
Rüstet ganze Zellgruppen mit unterschiedlichen
Schaltkreisen aus: Katja Kolar
einem Paper aus dem letzten Jahr stellt
sie als Erstautorin zusammen mit Kollegen
vor, wie zwei Zellpopulationen ihre Grenzen
berechnen (BMC Syst Biol. 9: 97). Das
Team hatte eine Population von HEK-Zellen
so verändert, dass diese Tryptophan
synthetisieren und nach außen abgeben.
Dieselben Zellen exprimieren außerdem
den Interleukinrezeptor IL4R. Bindet von
außen Interleukin 4 an diesen Rezeptor,
produzieren die Zellen YFP und damit ein
gelbes Fluoreszenz-Signal.
Andere HEK-Zellen hatten Kolar und
Kollegen so programmiert, dass sie auf
Tryptophan mit der Synthese von Interleukin
4 reagieren und dieses nach außen
abgeben. Für sich alleine wird diese Zellpopulation
ganz normal wachsen, ohne
Interleukin zu produzieren. Auch die andere
Zellpopulation wird isoliert kein besonderes
Verhalten zeigen. Sie gibt zwar permanent
Tryptophan an die Umgebung ab,
doch es passiert nichts Aufregendes. Das
ändert sich jedoch, wenn man beide Populationen
im selben Petrischälchen wachsen
lässt. Die einen Zellen könnte man links
platzieren, die anderen rechts. Während
sich die Zellen teilen, vergrößern sich beide
Populationen und wachsen aufeinander zu.
Kommen sie sich nahe genug, dann wird
die zweite Population das Tryptophan-Signal
der ersten Population registrieren und
Interleukin 4 abgeben. Sind jetzt Zellen der
ersten Population in der Nähe, registrieren
die wiederum das Interleukin, produzieren
YFP und leuchten.
Fantastische Möglichkeiten
Durch ihre Interaktion errechnen beide
Zellgruppen ihre Populationsgrenze und
markieren sie mit einem Fluoreszenz-Signal.
Nun hätte man die Grenze auch einfacher
sichtbar machen können – etwa,
indem man die eine Population GFP und
die andere YFP produzieren lässt: Dort, wo
gelbe und grüne Fluoreszenz aufeinanderstoßen,
berühren sich die Zellgruppen. „Es
war aber nicht unsere Absicht, einfach bloß
Zellen in einem Petrischälchen zu färben“,
erläutert Kolar. „Die Idee war vielmehr zu
erforschen, wie man gezielt Zellpopulationen
umbauen kann, damit sie miteinander
kommunizieren.“ Das könne die Grundlage
für komplexere Tissue Engineering-Anwendungen
bilden. Zum Beispiel Tools für die
Erforschung von Krebs. „Da versagt ja die
Aufrechterhaltung solcher Grenzen zwischen
unterschiedlichen Zellpopulationen,
denn bei der Metastasenbildung entkommen
einzelne Zelltypen aus ihrem Gewebe
und gelangen in andere Zellgruppen.“
Was die theoretischen Möglichkeiten
zum Bau synthetischer genetischer Schaltkreise
betrifft, sind der Fantasie also kaum
Grenzen gesetzt. Zumal neue Technologien
wie CRISPR/Cas wiederum neue Türen öffnen.
Man könnte beispielsweise direkt die
DNA als Informationsspeicher nutzen. „Die
Idee gab es aber schon lange vor CRISPR/
Cas“, betont Kobi Benenson. Trotzdem
sei die Neuentwicklung sehr interessant,
„nicht notwendigerweise als Gene Editing
Tool, sondern weil man Cas9 auch als Genregulator
nutzen kann.“ Denn wenn man
die Endonukleasefunktion von Cas9 entfernt,
kann man über die an Cas gebundene
RNA ganz gezielt eine bestimmte Stelle im
Genom adressieren und dort die Transkription
einer Sequenz blockieren.
Katja Kolar glaubt, dass die Suche
nach immer neuen Methoden künftig gar
nicht so wichtig sei. „Es wird nicht so sehr
darum gehen, die verfügbare Toolbox zu
erweitern, sondern die nächste Stufe zu
erreichen: Nämlich das, was wir haben, zu
kombinieren, um komplexere und wirklich
bedeutsame Sachen zu bauen.“
Und dann könnten auch vermeintliche
Science Fiction-Ideen wie die eingangs
erwähnte womöglich doch Wirklichkeit
werden.
Mario Rembold
4/2016 Laborjournal