Manager Magazin, 26.08.2005, Nr. 9, Seite 94

Kröher, Michael O.R.

Zellen im Tank

Eine wissenschaftliche Revolution steht bevor: Künstliche Zellen sollen wertvolle Substanzen produzieren, zum Beispiel Treibstoffe. Ein spannender Wettlauf um die Vorherrschaft in einem Milliardengeschäft ist entbrannt.

Das Rezept scheint simpel: Man nehme eine Hülle, etwas Erbgut und ein paar Substanzen, die subtil Energie spenden, sobald sie miteinander reagieren. Schon ist sie fertig, die künstliche Zelle. Die neue Lebensform, die nirgendwo im Universum existiert - außer in den Retorten einiger Forscher.
Ein Lebewesen, das auf diese Weise geschaffen würde, hat einen eigenen Stoffwechsel, kann sich selbst vermehren und an veränderte Umweltbedingungen anpassen - auch durch genetische Weiterentwicklung über Generationen hinweg.
Solche künstlichen Zellen, da sind sich die Wissenschaftler einig, können die Basis sein für eine revolutionär neue Form der Biotechnologie: Etwa für die Massenproduktion von Wasserstoff als klimaneutralem Energieträger oder für die Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid in brennbares Methan; für die Frühdiagnose von Krankheiten in den betroffenen Körperzellen oder für die präzise Lieferung hochwirksamer Medikamente dorthin; für die Entgiftung verseuchter Umwelt, in der natürliche Mikroben sofort absterben würden; oder für die Herstellung von Nanopartikeln, Werkstoffen, Medikamenten, Enzymen und Substanzen, die

sich heute noch nicht einmal denken lassen.
Die künstlichen Zellen wären eine Mischung aus Lebewesen und Maschine - Nanoroboter, die sich selbst vervielfältigen können, lebende Technologie, wie sie bislang nur in der Science- fiction-Literatur von Michael Crichton ("Beute") oder Frank Schätzing ("Der Schwarm") vorkommt. In amerikanischen und europäischen Labors arbeiten die Forscher täglich daran, die Vision wahr werden zu lassen. Ein Durchbruch könnte schon bald bevorstehen.
Allein in der chemischen Industrie, so hat die Unternehmensberatung McKinsey in einer Studie errechnet, sollten schon im Jahr 2010 bis zu 20 Prozent aller Produkte mit biotechnischen Verfahren hergestellt werden: Enzyme, Nahrungszusätze, komplexe Verbindungen. In den Labors der Degussa könnte die synthetische Biologie, wie das Entwickeln von Leben in der Retorte heißt, deshalb schon bald "eine maßgebliche Rolle" spielen, sagt Stefan Buchholz, Leiter des Hanauer Projekthauses Proferm bei dem Feinchemikalienkonzern.
Weltweit tun sich Märkte mit Jahres- umsätzen von vielen hundert Milliarden auf (siehe Tabelle oben). Den größten Anteil hiervon könnte sich sichern, wer das erste umfassende Patent anmeldet auf eine beliebig programmierbare Lebensform aus der Retorte. "Das Erschaffen einer künstlichen programmierbaren Zelle käme einem Technologiesprung gleich - etwa wie die Erfindung der Halbleitertechnologie", sagt John McCaskill. Der Professor an der Bochumer Ruhr-Universität hat bereits elektronische Mikrosysteme und Computer-Steuerungsprogramme für die Basistechnologien entwickelt; sein Team nimmt jetzt Anlauf für diesen Technologiesprung.
In den Labors herrscht Aufbruchstimmung, wie sie aus den 50er Jahren von Hewlett-Packard und anderen Pionieren der Mikroelektronik überliefert ist; es war die Zeit, als Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise die klobigen, wärmeabstrahlenden Vakuumröhren aus Omas Radio und den zimmergroßen "Elektronengehirnen" schlagartig überflüssig machten. Die Halbleiter-Bauteile ebneten den Weg ins Zeitalter der Informationstechnologie.
Beim Rennen um künstliche Lebensformen verfolgen die Wissenschaftler zwei fundamental verschiedene Konzepte. Die einen, wie McCaskill von der Ruhr-Uni, wollen künstliche Zellen bauen aus "toten" Chemikalien - von Grund auf, "bottom-up".
Die anderen gehen genau den umgekehrten Weg, "top down": Aus dem Erbgut primitiver Bakterien werden immer mehr Gene herausamputiert, bis nur noch jene übrig sind, die für das Überleben und die Fortpflanzung in der Petrischale oder im Bioreaktor absolut notwendig sind. Die werden dann neu zusammengebaut - so, dass eine neue, "künstliche" Zelle auch mit den Genen umgehen, die gespeicherten Informationen abrufen und umsetzen könnte.
Niemand kann derzeit vorhersagen, welches Modell das auf Dauer erfolgreichere sein wird, also für mehr Umsatz und größere Gewinne sorgt. Doch zeichnet sich heute schon ab, dass der Topdown-Ansatz als Erster aus den reinen Forschungsprojekten in die Produktentwicklung wandern wird.
In den Laboren des Institute for Biological Energy Alternatives (Ibea) im US-Staat Maryland sind hierzu "die wesentlichen Grundlagenforschungen abgeschlossen", sagt Juan Enriquez, Gründungsdirektor des Life Science Projects an der Harvard Business School und CEO der Wagniskapitalfirma Biotechonomy in Wellesley Hills, Maryland. "In allernächster Zeit", so der Biotech-Guru, würden maßgebliche Resultate publik gemacht.
Die Ankündigung ist ernst zu nehmen. Gründer und Leiter des Ibea ist Craig Venter, jener Biotech-Pionier, dem im Jahr 2000 die Entschlüsselung des menschlichen Genoms nach zwei Jahren Laborarbeit gelang.
Nach der von ihm entwickelten "Schrotschuss"-Methode ließ Venter viele dutzend Analyseroboter parallel arbeiten und setzte neue, komplexe Software ein, um aus den Einzelergebnissen die umfassende Genkarte des Menschen zu zeichnen. Ein spektakulärer Coup, denn ein internationales Forscherkonsortium, das seine Resultate gerade noch zeitgleich mit Venter veröffentlichen konnte, hatte rund zehn Jahre für dieselbe Aufgabe gebraucht.
Sein nächstes Vorhaben, den Topdown-Ansatz der synthetischen Biologie, begann Venter im Jahr 2002 mit dem "Minimal Genonome Project". Das geht vom primitivsten Bakterium aus, das derzeit bekannt ist: Dem Mycoplasma genitalium, einem unschädlichen Winzling, der auf den Schleimhäuten der menschlichen Geschlechtsorgane lebt. Das M. genitalium, wie es im Laborjargon genannt wird, hat nur 517 Gene - der Mensch hat etwa 35 000; Venters damaliges Forschungsinstitut hat das Primitiv-Genom schon 1995 entschlüsselt.

Das Minimal-Genome-Projekt will herausfinden, welche seiner 517 Gene das M. genitalium tatsächlich braucht - Venter schätzt: etwa 300 - und in welcher Reihenfolge diese Gene aneinander gereiht werden müssen, damit das neue Bakterium tatsächlich alle Kriterien des Lebens erfüllt: Stoffwechsel, Fortpflanzung und Adaptionsfähigkeit.
Den Zellen mit diesem "Minimal-Erbgut" wollen die Ibea-Forscher dann neue, nützliche Gene einpflanzen - in ähnlicher Weise, wie das die heutigen Biotechniker bei Bakterien- oder Hefezellen machen. Als erstes und wichtigstes Projekt soll die so gezüchtete Lebensform massenhaft Wasserstoff produzieren können, den klimaneutralen Energielieferanten, oder das Treibhausgas Kohlendioxid in brennbares Methan (= Erdgas) umwandeln (siehe die Infografik oben).
Die Aufgabe ist keineswegs trivial. Auch am Ibea scheiterten etliche Anläufe. "Bislang haben wir den genetischen Code nur gelesen", sagt Venter. "Jetzt wollen wir ihn neu schreiben." Noch niemand hat je Ähnliches versucht. Das Genom des primitiven M. genitalium besteht aus 580 000 Gen-Bausteinen ("Basen"). So viele Buchstaben hat ein Redemanuskript von 300 Seiten.
Gleichwohl hat der Top-down-Ansatz des Ibea mehrere Vorzüge gegenüber dem Bottom-up-Projekt. So kann Venter frei zugreifen auf sein wichtigstes Produktionsmittel, die Daten des Bakterien-Genoms. Schließlich hat er die selbst entschlüsselt.
Obendrein gehört der Nobelpreisträger Hamilton Smith zu Venters Team. Venter selbst gilt als Vollblutforscher, der mit dem Kopf durch die Wand geht und noch nie gescheitert ist - zumindest nicht, wenn er wissenschaftliche Ziele verfolgte.

Doch der wichtigste Vorzug des Topdown-Ansatzes ist: Venter hat mehr Geld. Seine Stiftung, zur Zeit der Hightech-Börsenblase mit den Aktiengewinnen aus seiner ehemaligen Firmengründung Celera gespeist, hat 35 Millionen Dollar in die Forschung des Ibea und anderer von Venter geleiteter Institute investiert. Das US-Ministerium für Energie fördert die Suche nach alternativen Energiequellen durch synthetische Biologie mit zwölf Millionen Dollar.
In diesen Tagen soll schon der kommerzielle Ableger des Ibea starten, die Synthetic Genomics Inc. Der mexikanische Industrielle Alfonso Romo Garza hat 15 Millionen Dollar investiert, die- selbe Summe kommt von den Wagniskapitalgebern um Juan Enriquez. Im Laufe der nächsten 12 Monate sollen die 30 Mitarbeiter des Ibea unterstützt werden von 70 Beschäftigten bei Synthetic Genomics.
Die Vertreter des Bottom-up-Ansatzes gehen weniger druckvoll vor - weshalb sie, wie sie einräumen, auch wesentlich länger brauchen werden bis zu einem substanziellen Ergebnis. "Wir können gar nicht gewinnen, weil wir unser Ziel sehr viel weiter gesteckt haben als die Top-Downer", sagt Norman Packard, CEO des Start-up-Unternehmens Protolife, das in einem Technologiepark bei Venedig seinen langen Weg zum Leben aus der Retorte in diesem Jahr begonnen hat. "Venters ,künstliche Zelle' wird immer ein primitives Bakterium sein", sagt Packard. "Wir hingegen bauen etwas, das es noch nie gegeben hat."
Ebenso wie Venter hat Packard viel Erfahrung mit kommerziellen Unternehmungen. Der Physiker gehört zu den Pionieren, die in den 70er und 80er Jahren die Computertechnik und die Chaostheorie in der Praxis zusammenbrachten - und daraus erfolgreiche Firmen machten.
Protolife gehört zum internationalen Forschungsverbund Pace. Die Abkürzung steht für Programmable Artificial Cell Evolution, die Entwicklung einer programmierbaren künstlichen Zelle. Das Konsortium, ein Zusammenschluss von Hochschullabors in acht europäischen Ländern, einem Start-up-Unternehmen und einer Tochterfirma der Telecom Italia, wurde im vergangenen Jahr ins Leben gerufen als die derzeit breiteste

Plattform für das Bottom-up-Kon- zept. Geleitet und koordiniert wird das Projekt von Deutschland aus, von Forschern der Bochumer Ruhr-Universität.
Drei amerikanische Wissenschaftlergruppen kooperieren mit Pace, darunter eine am berühmten Los Alamos National Laboratory in Neu Mexiko. Die EU fördert das Pace-Projekt mit 6,6 Millionen Euro - als Wegbereiter der komplexen Systemforschung. Die Schweiz gibt zusätzliches Geld.
Vom entscheidenden Versuch, vom Einhauchen des Lebensgeistes in die zuvor tote Materie aus Chemikalien, sind die Pioniere in den Pace-Laboren noch weit entfernt. Fünf Jahre? Zehn? Pace-Koordinator McCaskill will sich nicht festlegen. Sein erklärtes Ziel ist jedoch, "der chemisch-synthetischen Zelle" bis 2008 "ein deutliches Stück näher zu kommen".
Die Pace-Wissenschaftler sind vorsichtig, weil sie auch die Risiken eines Lebens aus der Retorte erforschen. Die sind nicht gering: Ein offizieller Report des US-Geheimdienstes CIA warnte zum Beispiel im November 2003, die synthetische Biologie könne Erreger herstellen, "die schlimmer sind als jede der Menschheit bislang bekannte Krankheit". Am European Center for Living Technologies, einem neu eingerichteten Forum in der Altstadt von Venedig, wird deshalb ein international verbindlicher Kodex für die Forschungen um künstliches Leben erarbeitet.
Dennoch denken auch die Gründer von Protolife schon an die künftigen Umsetzungen ihrer Forschungen. Packard spricht am liebsten von medizinischen Anwendungen: Die kleinen programmierbaren Zellen könnten etwa während regelmäßiger Krebsfrüherkennungsuntersuchungen in die Blutbahn gespritzt werden, um den gesamten Körper zu durchstreifen. Und Alarm schlagen, wenn sie auch nur eine "entartete" Tumorzelle gefunden haben.
Andere "künstliche Lebewesen" könnten so programmiert werden, dass sie Krebsmedikamente gezielt in Tumorzellen hineintransportieren. Die hochwirksamen Mittel würden dann nur das bösartige Gewebe schädigen - und den übrigen Organismus schonen. Dies wäre ein Durchbruch im Milliardenmarkt der Krebsmedizin; die heute gefürchteten Nebenwirkungen der Chemotherapie gehörten der Vergangenheit an.
Auch der Markt für Wasserstoff bietet großartige Perspektiven. Die Europäische Union will in den nächsten 15 Jahren 5 Prozent des Kraftstoffbedarfs durch Wasserstoff decken. Und allein im US-Transportwesen, so haben Wissenschaftler unlängst errechnet, ergibt sich ein jährlicher Bedarf von 150 Millionen Tonnen des umweltfreundlichen Treibstoffs.
Bleibt nur die Frage, wann der erste Bioreaktor anläuft, in dem sich Wasserstoff aus künstlichen Zellen herstellen lässt. Nur Jack Szostak, Molekularbiologe an der Harvard Medical School in Boston, sieht "keine grundsätzlichen Hindernisse mehr" auf dem Weg dahin. Er glaubt sogar, sein Team könne in den nächsten drei Jahren den Durchbruch schaffen. Allerdings unter einer Bedingung: "wenn wir 20 Millionen Dollar
hätten".
Michael O. R. Kröher
Online
Ein Interview mit Norman Packard, CEO von Protolife, lesen Sie unter: www.manager-magazin.de/link/packard/

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Geschäftsfelder für künstliche Zellen
Die potenziellen Märkte der synthetischen Biologie
Biotechnologien (insgesamt) bis 2007*
Geschäftsvolumen: 125,7 Mrd. Dollar
"Rote Biotech" (Pharma, Medizin) bis 2010**
Geschäftsvolumen: 79 Mrd. Euro
Anwendungsgebiete: Arzneimittel, Impfstoffe, Hormone, Blutbestandteile, Diagnostik, Laborchemikalien usw.
Feinchemie und "weiße" Biotech bis 2010***
Geschäftsvolumen: 310 Mrd. Dollar
Anwendungsgebiete: Enzyme, Nahrungszusätze, Stabilisatoren und Emulgatoren, Farben und Lacke, Beschichtungen, "intelligente" Kunststoffe und komplexe Verbindungen etc.
Quellen: *Datamonitor, **Frost & Sullivan, ***McKinsey

Kraftwerk künstliche Zelle
Wie die "synthetische Biologie" umweltfreundliche Energieträger produzieren soll
Ein Hauptanwendungsgebiet für die neue Form der Biotechnologie soll die Gewinnung von klimaneutralen Brennstoffen sein - zum Beispiel von Methan (Erdgas, "Biogas"). Für diese Synthese, die in der Natur nicht gelingt, favorisieren die Forscher folgendes Modell:
1. Ausgangsstoffe sind Kohlendioxid, das etwa aus der Atmosphäre gefiltert wird, und
2. Wasser.
3. Als Katalysator für die ungewöhnliche Reaktion soll entweder ein zusätzlicher Hilfsstoff dienen oder das Erbgut der neuen Lebensform. Nach dem Modell des Bochumer Chemieprofessors Günter von Kiedrowski besteht das Chromosom einer künstlichen Zelle aus drei kurzen DNA-Strängen, die von einem Protein (hier: gelb) verknüpft werden. Diese vollkommen neue Form genetischen Materials sieht aus wie eine unten offene Pyramide auf der Basis eines Dreiecks und soll "Trisoligo" genannt werden.
4. Eine andere Möglichkeit zur Reaktionsförderung: ein Bio-Katalysator (hier grün gezeichnet).
5. In der Zelle reagieren dann zwei Moleküle Wasser und ein Molekül Kohlendioxid miteinander.
6. Daraus entsteht Methan, übrig bleibt Sauerstoff.
7. Durch spezielle Kanäle wird das Endprodukt aus der Zelle geschleust.

Bildunterschrift:   Die Top-down-Fraktion: Genom-Pionier Craig Venter (und Nobelpreisträger Hamilton Smith entwickeln in den USA künstliche Zellen aus primitiven Bakterien
Bildunterschrift:   Die Bottom-up-Fraktion: Norman Packard (linkes Foto, l.) und Mark Bedau haben in Venedig die Firma Protolife gegründet, um künstliche Zellen aus "toten Chemikalien" zu entwickeln. John McCaskill (oben links), Professor an der Bochumer Ruhr-Uni, koordiniert die europäische Forschung zu programmierbaren Zellen, hier im Labor seines Teams.   Quellen: *Datamonitor, **Frost & Sullivan, ***McKinsey     

17072, MM    , 26.08.05; Words: 2030, NO: 00022005000090009400

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