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Synthetische Biologie: Neuartige Wirkstoffe aus der Werkstatt des Lebens Prof. Dr. Uwe Sonnewald, Lehrstuhl für Biochemie Prof. Dr. Rainer Böckmann, Computational Biology
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Synthetische Biologie – Einträge im Internet
Yahoo 4.060.000 Einträge Google 4.250.000 Google scholar 3.080.000 ISI Web of Science 5.416 PubMed 19.018
Suchbegriff „Synthetic Biology“; Stand 20. Juni 2014 2
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http://web.mit.edu/demoscience/SynthBio/; http://events.embo.org/12-synthetic-biology/; http://fitism.wordpress.com/2011/07/06/genspaces-synthetic-biology-course-starting-july-16th-2011/; http://stephenleahy.net/2007/01/21/synthetic-biology-on-trial-at-world-social-forum-2007/; http://www.newyorker.com/reporting/2009/09/28/090928fa_fact_specter?currentPage=all
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http://charts.webofknowledge.com/ChartServer/draw?SessionID=U2lPVGbviydudWUy8C8&Product=UA&GraphID=PI_BarChart_2_full
Synthetische Biologie: Wissenschaftliche Veröffentlichungen
4
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Synthetische Biologie: Eine neue Technologie?
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Barbara Hobom
War die gesamte Biologie und auch die Molekularbiologie bis zu diesem Punkt eine beschreibende Wissenschaft gewesen …. so wird daraus mit dem Gentechnologie-Gedanken etwas neues: eine Synthetische Biologie.“ Zitat aus Hobom, 1986
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Säuger-Gene in Bakterien
E. coli
Mensch
Gen
Bakterienzelle
Somatostatin 1977 Insulin 1978 Wachstumshormon 1979 Hepatitis-B Antigen 1979 Interferon 1980
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Synthetische Biologie: Eine neue Technologie?
Stéphane Leduc (1853-1939)
Aufbau physikalisch-chemischer Modelle zur Erklärung von Entwicklungs- und Wachstumsprozessen
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Synthetische Biologie: Eine neue Technologie? Bisher arbeiten wir in der beschreibenden Phase der Molekularbiologie. [….] Aber die echte Herausforderung beginnt, wenn wir die Synthetische Biologie Phase des Forschungsfeldes erreicht haben. Dann werden wir neue regulatorische Elemente entwickeln und diese existierenden Genomen zuführen oder ganz neue Genome konstruieren. Dies wird ein Forschungsfeld mit unbegrenztem Expansionspotential und nahezu grenzenlosen Möglichkeiten zur Schaffung „neuer und besserer Regulationselemente“ und schlussendlich neuer „synthetischer“ Organismen, [….]
Ins Deutsche übersetzt aus: Szybalski 1974
Waclaw Szybalski (1921)
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Was ist Synthetische Biologie aus heutiger Sicht?
Das spezifische Merkmal der Synthetischen Biologie ist, dass sie biologische Systeme wesentlich verändert und gegebenenfalls mit chemisch synthetisierten Komponenten zu neuen Einheiten kombiniert.
Aus: Stellungnahme der DFG Synthetische Biologie, 2009 9
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Was ist Synthetische Biologie aus heutiger Sicht?
Dabei können Eigenschaften entstehen, wie sie in natürlich vorkommenden Organismen bisher nicht bekannt sind.
Aus: Stellungnahme der DFG Synthetische Biologie, 2009 10
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Was ist Synthetische Biologie aus heutiger Sicht?
D.h. die Synthetische Biologie zielt darauf ab neuartige funktionelle Teile, Module, Regelkreise oder Organismen unter Verwendung synthetischer DNA und mathematisch ingenieurwissenschaftlicher Methoden zu schaffen.
Aus: Stellungnahme der DFG Synthetische Biologie, 2009 11
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Grundlagen der Synthetischen Biologie
● Gensequenzierung
● Systembiologie
● Gensynthese
12 http://www.aerzteblatt.de/archiv/73241/Krebsgenomprojekt-(2)-Ungeheure-Datenfluten; http://www.eurofinsgenomics.eu/de/gensynthese-molekularbiologie.aspx; https://www.biotechnologie.de/BIO/Navigation/DE/Aktuelles/menschen,did=65614.html?view=renderPrint
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Entschlüsselung kompletter Genome in Stunden
„Konventionelle“ Sequenzierung 30.000 – 70.000 bp / h Next Generation Sequencing 13.000 000 – 83.000 000 bp / h ______________________________________________________ Menschliches Genom ca. 3.000 000 000 bp
1.5 - 9.5 Tage 1.800 – 4.200 Tage
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System Biologie
Multiparallele Datenerfassung
Datenauswertung
Hypothesenbildung Hypothesentestung
Proteom Metabolom Transkriptom Genom 14
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Design Zyklen
Evaluierung
Systemanalyse
Rekonstitution des Systems Modellierung
Neue Produkte/ Systeme 15
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Genetiker erschaffen Kunst-Lebewesen
Aus: Welt Online
Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0
Gibson et al. (2010) Science
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Modifiziert nach: DeLorenzo, 2010. 17
Nat
ürlic
he
Org
anis
men
Zufä
llige
M
utag
enes
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Ger
icht
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M
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GVO
Synt
hetis
che
G
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Synt
hetis
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G
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Neu
e G
enom
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Synt
hetis
cher
O
rgan
ism
us
natürlich
Synthetisch
Synthetische Biologie
Gentechnik
Von natürlichen zu artifiziellen Systemen
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Transgen versus synthetisch
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Spender Empfänger
Transgene Zelle
Fahrgestell
Biologische Bausteine
Synthetische Zelle
Nach Schmidt (2009)
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Entwicklung von maßgeschneiderten Minimalzellen Generierung von Protozellen Design maßgeschneiderter Stoffwechselwege Konstruktion komplexer genetischer Schaltkreise Schaffung orthogonaler Biosysteme
Klassische Beispiele der Synthetischen Biologie
Aus: Stellungnahme der DFG Synthetische Biologie, 2009
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Flußmodelle Regulatorische Module
Transportmodule
Prozeßmodule
Natürliche Zelle Minimal-Zelle
Fahrgestell -Zelle Vesikel
Produktionszelle oder -vesikel
Design maßgeschneiderter Stoffwechselwege
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Anwendungen Synthetischer Biologie
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Prävention
Diagnostik (Biosensoren)
Therapeutika
Bioenergie
Umweltschutz
Feinchemikalien
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Artemisin Produktion in E. coli und Hefe
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Artemisin Produktion in E. coli und Hefe
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einjähriger Beifuß Artemisia annua
Artemisin
E. coli Hefe
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Alkaloid Produktion in E. coli und Hefe
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E. coli Hefe
Morphium
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Design neuer Stoffwechselwege
Lebende Systeme
Artifizielle Vesikel
Durchfuß-Mikroreaktoren
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Design neuer Stoffwechselwege
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Der Stoffwechsel ist kompartimentiert und vernetzt
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Rekonstruktion biologischer Systeme auf Basis von Genomik, Transkriptomik, Proteomik und metabolischen Flußanalysen
Natürliches Netzwerk Optimiertes Netzwerk
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Stoffwechseloptimierung
Ausgewogene Expression der Stoffwechselgene
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Pro
duct
E1
E2
E3
Ger
üst
Kolokalisation der Enzyme
Räumliche Verteilung der Enzyme
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29
Lebensmittel Futtermittel Bioenergie
Reduziert Biomasse Reduzierte Haltbarkeit Nachernte Verluste
Umsteuerung des Kohlenstoffflußes in Pflanzenzellen
Invertase
Hexosen
G6P Stärke HK
Atmung
Mitochondrium
Saccharose
Plastiden
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30
Umsteuerung des Kohlenstoffflußes in Pflanzenzellen
Invertase
Hexosen
G6P Stärke HK
Atmung
Mitochondrium
Saccharose
Plastiden
yHK
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Adaptorprotein
Gerüstprotein
Zielprotein 1 GFP
Zielprotein 2 mCherry
Anheftung von Zielproteinen an die Plastidenhüllmembran
Marlene Pröschel Uschi Hoja
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Bindung einer Hefe Hexokinase an die Plastidenhüllmembran
Marlene Pröschel, Uschi Hoja
Adaptorprotein
Gerüstprotein Hexokinase
Stärke
GFP GFP + OEP HxK HxK + OEP µmol
Glu
kose
/mg
Chl
orop
hyll
GFP GFP + OEP HxK HxK + OEP
Aktiv
ität i
n U
/mg
Chl
orop
hyll
Plastiden-assoziierte Hexokinase
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33
Zellfreie synthetische Stoffwechselwege
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34
Biologische Bausteine
Bindedomäne 1
Genetischer Schalter
Genetischer Schalter
Zielprotein 1
Zielprotein 2
Zielprotein 3
Genetischer Schalter
Bindedomäne 1 Zielprotein 1
Bindedomäne 2 Zielprotein 2
Bindedomäne 3 Zielprotein 3
Marlene Pröschel Jutta Eichler Heinrich Sticht
Die Molekulare Werkzeugkiste
Nanopartikel
Bindedomäne 2
Bindedomäne 3 Genetischer Schalter
Genetischer Schalter
Genetischer Schalter
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Zellfreies Saccharose-metabolisierendes System
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36
Zucker Modul
Terpenoid Modul
Polymer Modul
Aminosäure Module
Flavonoid Module
AcetyCoA Module
Alkaloid Modul
Glukosid Module
Fettsäure Module
Phenol Module
Zellulose Pektine Stärke Gumi
Schleime
Bioethanol
Menthol Rosenöl
Pfefferminzöl Myrrhe
Terpentin Sterole
Steroide Carotinoide
Gummi
Resperin Codein Morphin Atropin Cocain Nikotin
Digitoxin Steviosid
Modulare Biosynthese Plattform
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Aminosäure Module
Flavonoid Module
Alkaloid Modules
Phenol Module
Resperin Codein Morphin Atropin Cocain Nikotin
37
Zucker Modul
Zellulose Pektine Stärke Gummi
Schleime
Terpenoid Module
Polymer Module
AcetyCoA Modul
Glucosid Module
Bioethanol
Fettsäure Module
Menthol
Digitoxin Steviosid
Modulare Biosynthese Plattform
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Zellulose Stärke
Saccharose
E1 H2O
Hexosen E2-E9
Pyruvat E10
AcetylCoA E11-E16
Cofactoren Cofactoren Cofactoren
Menthol
Modulare Biosynthese Plattform
Inlet
Outlet
Mathematische Methoden zur Simulation und Optimierung metabolischer Flüsse In silico Design und Optimierung von biologischen Bausteinen Biosynthese und Reinigung biologischer Bausteine Durchflußmikroreaktoren und Vesikel Makrocarrier für Produktionsplattform
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39
Projektpartner
Günter Leugering Peter Knabner
Mathematische Simulation und Optimierung
Rainer Böckmann Heinrich Sticht, Günther Greiner
Computer-gestützte Biologie, Informatik
Uwe Sonnewald Lars Voll
Molekularbiologie, Biotechnologie
Aldo R. Boccaccini
Biomaterialien
Vahid Sandoghdar
Nano-Werkzeuge
Jutta Eichler
Nanopartikel gekoppelte Liganden
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!