Gehackte Körperzellen gegen Krebs

02.09.2011

Der synthetischen Biologie gelingt es immer besser, die Funktion lebender Zellen zu beeinflussen - aus Biologen werden so Bio-Hacker

Das Szenario kommt bekannt vor, so funktionieren Hacks: Ein bestehendes System wird zuerst grundlegend analysiert. Wo existieren Schwachstellen, was lässt sich verbessern? Es folgt die Suche nach einem Mechanismus, eigene Änderungen einzuschleusen. Die werden idealerweise an einem Dummy getestet, bevor es an den Ernstfall geht: Das veränderte System mit erweiterten Funktionen neu zu starten.

An genau diesem Punkt befindet sich zurzeit die synthetische Biologie, wie ein Special im renommierten Wissenschaftsmagazin Science feststellt. Die nötigen Hacker-Werkzeuge, die der SQL-Injection aus der IT entsprechen, haben die Forscher in den vergangenen Jahren entwickelt und ausführlich getestet. Nun versuchen sie, damit die Kontrolle zu gewinnen über ihr Zielsystem: die Zelle.

Mit der Frankenstein-Dystopie, die Welt mit künstlichen Wesen zu bevölkern, letztlich mit Monstern also, haben die Verfechter der synthetischen Biologie denn auch wenig zu tun. Sie verstehen sich als Ingenieure auf zellulärem Niveau. Sie verbessern existierende Systeme, erweitern sie um neue Funktionen oder machen sie fit für neue Anforderungen.

Schaltkreis zur Unterscheidung von Krebszellen von gesunden Zellen

Ein konkretes Beispiel dafür beschreibt ein Forscherteam aus der Schweiz und den USA: In ihrer Publikation stellen sie einen genetischen Schaltkreis vor, der Krebszellen von gesunden Zellen unterscheidet und auch in der Lage sein soll, entartete Zellen abzuschalten.

Damit das Gen-Netzwerk entsprechend reagiert, müssen fünf krebsspezifische Faktoren (in diesem Fall endogene miRNS-Moleküle) im Inneren der Zelle zusammentreffen - so sollen Fehlentscheidungen verhindert werden. Getestet haben die Forscher ihre Entwicklung bisher nur in Zellkulturen, und zwar an Gebärmutterhalskrebs-Zellen. Tatsächlich starben im Versuch die Krebszellen ab, während gesunde Zellen erhalten blieben.

Die Rechenschritte, die der im Text beschriebene Krebs-Sensor-Schaltkreis ausführt. Darstellung der Logik ist rein symbolisch. Bild: Yaakov Benenson

Der nächste Schritt wären Tests am Tiermodell - doch bis zur universellen Krebstherapie bleibt ein langer Weg, weil der synthetische Krebs-Sensor individuell auf Zellart und Krebs angepasst werden muss: Der Mensch besitzt etwa 250 Zelltypen und noch mehr Varianten von Krebszellen, zudem sind bis zu 1000 Arten von miRNS aus der Zelle bekannt.

Gen-Circuits und Schaltkreise

Wie solche zellulären Schaltkreise prinzipiell funktionieren, schildern die Biologen Nagarajan Nandagopal und Michael Elowitz in einem Review-Artikel. Die Bezeichnung "Schaltkreis" führt dabei insofern etwas in die Irre, als er mit dem Äquivalent aus der Elektronik wenig zu tun hat.

Vielmehr geht es hier um eine Kopplung biologischer Schalter, sprich: von Genen mit unterschiedlicher Funktion. Je nach Input (Vorhandensein bestimmter Moleküle in der Zelle) reagieren diese Schalter mit der Expression anderer Outputs (neuer Moleküle), die dann als Input anderer Genschalter dienen können oder eine Reaktion auslösen (etwa wie im Beispiel oben den Zelltod verursachen).

Der Trend geht dabei derzeit dahin, die vom Körper bereitgestellten Schaltkreise mit den eingeschleusten zu verknüpfen - eine schwierige Aufgabe, weil man die Funktionsweise der körpereigenen Gen-Circuits oft noch nicht völlig verstanden hat. So funktionierte etwa ein von den Autoren beschriebenes Experiment, bei dem ein Oszillator in eine Zelle eingeschleust worden war, beinahe zu gut, weil eine unerwartete Wechselwirkung mit zelleigenen Prozessen eintrat.

Konstruktion synthetischer Zellen

Dass die Sehnsucht nach der Macht, Leben zu schaffen, unter den synthetischen Biologen weiterhin schlummert, zeigt ein Perspektiven-Artikel der Dresdner Biophysikerin Petra Schwille, der ebenfalls Teil des Specials ist. Schwille beschreibt darin unter anderem mögliche Wege zu und Herausforderungen bei der Konstruktion wirklich synthetischer Zellen, die kein Vorbild in der Natur haben.

Zunächst gilt es herauszufinden, wie eine Minimal-Zelle aussehen könnte: Was braucht das Leben wirklich, um zu funktionieren? Doch selbst wenn das geklärt ist, fehlt den Forschern noch ein großer Berg an Wissen: Wie wirken komplexe Systeme aus Nukleinsäuren, Fetten und Eiweißen genau zusammen? Welche Rolle spielen hier Phänomene wie der Oberflächendruck an Membranen oder elektrostatische Kräfte? Die Biologen werden diese Fragen nicht allein beantworten können - bei der Suche nach dem Kern des Lebens kommen sie nicht ohne die Hilfe von Chemikern, Physikern und Ingenieuren aus.

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