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TU Berlin

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Synthetische Biologie – Biologie als Wissenschaft der Synthese

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurde klar, dass die fermentative Herstellung durch Mikroorganismen der chemisch-industriellen bei weitem überlegen ist. Danielli vermutete 1971, dass die sequenzdeterminierten Biopolymere einfacher zu erhalten seien, als heterogene, verzweigte (Zufalls-) Polymere, die keine direkte Korrelation zur DNA-Sequenz aufweisen (also Kohlenhydrate), und dass sich dadurch Anwendungsmöglichkeiten ungeahnten Ausmaßes ergeben würden. Außerdem bemerkte er, dass sich die Menschen (inklusive der Biologen) nicht darüber im Klaren seien, dass die Biologie sich von einer analytischen Wissenschaft zu einer Synthesewissenschaft entwickeln würde (New Scientist, 1971, pp. 124)

Wir sind davon überzeugt, dass sich die Erweiterung des genetischen Codes als eine Schlüsseldisziplin der synthetischen Biologie erweisen wird, da sie den Transfer von der Laborchemie (organische Synthese) in die Biochemie lebender Zellen ermöglicht. Unsere Forschung ist damit absolut in die Konzepte und Strömungen der synthetischen Biologie integriert, deren Teilgebiete sie aufgreift und miteinander verknüpft.

Die Erweiterung des genetischen Codes lässt sich prinzipiell auf zwei Arten betreiben. Einerseits durch die Veränderung der DNA selbst, indem man nichtnatürliche Nukleotide bzw. Basenpaare in die DNA/RNA-Moleküle einbaut. Die zweite Möglichkeit ist das Hinzufügen synthetischer Aminosäuren zum genetischen Code. Ziel ist es, den genetischen Code zu reprogrammieren bzw. die Translation zu orthogonalisieren, um so den Anwendungsbereich der Proteinsynthese um nichtnatürliche Funktionalitäten zu erweitern.Dies wird maßgeblich dazu beitragen, das genetic code engineering auf dem Gebiet der synthetischen Biologie in einen neuen Kontext zu stellen: Systembioengineering zur biologischen und chemischen Umprogrammierung der zellulären (Protein-) Biosynthese (z.B. durch die Kombination aus orthogonalen Paaren zum Einbau nichtkanonischer Aminosäuren und orthogonalen enzymatischen in vivo-Biosynthesewegen).

In diesem – noch in ferner Zukunft liegenden – Entwicklungsschritt werden wir es mit angepassten Organismen zu tun haben, die über einen vollintegrierten Stoffwechsel verfügen, der ihnen nicht nur die Biosynthese nichtkanonischer Aminosäuren erlaubt, sondern in deren Proteomen eine Aminosäure gegen eine andere ausgetauscht ist und gegenüber der kanonischen Aminosäure bevorzugt wird. Es wäre die Schaffung des ersten Organismus mit einem artifiziell veränderten Aminosäurerepertoire. 

(für mehr Details: Acevedo-Rocha C. G. and Budisa, N. (2011) On the Road towards Chemically Modified Organisms Endowed with a Genetic Firewall. Angew Chem Int Ed Engl. 50, 6960–6962.)

 

 

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