Natur neu erfinden

Die Marburger Forscher haben schon einige dieser Stoffwechselzyklen erdacht. Wenn das Design steht, suchen sie nach den Werkzeugen, die die einzelnen Aufgaben im Kreislauf erledigen. In der Biologie sind es in der Regel Enzyme, die die gewünschte biochemische Reaktion ausführen. Jede Reaktion benötigt ein spezielles Enzym. Damit wird die Sache kompliziert: Der neue Theta-Zyklus, den das Marburger Team im Dezember 2023 vorgestellt hat, besteht aus 17 einzelnen Schritten und damit aus 17 Enzymen, die in neuer Kombination als Stoffwechsel zusammenarbeiten müssen.

Erb sammelt die Einzelteile für den Theta-Zyklus aus dem Reichtum der Natur. Die Enzyme stammen aus neun verschiedenen Organismen: von Bakterien etwa, die im Boden, auf Hülsenfrüchten, im Darm oder im Meerwasser leben. Aber die Marburger verwenden im Theta-Zyklus auch Enzyme des Menschen und der Ackerschmalwand, eines Kreuzblütlers, der als Pflanze in Europa weitverbreitet ist. Die neue Mischung muss dann wie bei Spielern eines Fußballteams aufeinander abgestimmt werden, damit sich der Erfolg einstellt.

Ein erster Test, ob das Design funktioniert, lässt sich einfach als In-vitro-Experiment im Labor durchführen. Die meisten Enzyme können die Forscher herstellen oder kaufen. Die Wissenschaftler mischen die 17 Komponenten zusammen und beobachten, ob das neudesignte System CO₂ aufnehmen kann und als Kreislauf funktioniert. Schon in dieser Phase greifen die Forscher in ihr System ein, tauschen Einzelteile aus, verändern sie oder geben Hilfen hinzu. Im Theta-Zyklus haben drei einfache Verbesserungen die Effektivität des Kreislaufs um das 25-fache erhöht. Zudem setzen die Forscher eine Künstliche Intelligenz ein, die schrittweise weitere Optimierungen vorschlägt. Die Version Theta 3.9.9 arbeitet schon 100-mal effektiver als der erste Prototyp.

Die Einzelteile des Kreislaufs sind natürlich nicht zufällig ausgewählt. Alles ist auf die CO₂-Aufnahme hin optimiert. Im Theta-Zyklus sieht man das an zwei besonderen Enzymen, deren Namen mit Ppc und Ccr abgekürzt werden. Diese beiden Enzyme nehmen Kohlendioxid etwa zehnmal schneller auf als das Enzym Rubisco, das die Natur beim Pflanzenwachstum im sogenannten Calvin-Zyklus verwendet. Das hat dramatische Auswirkungen. „Wir haben in den vergangenen zehn Jahren mehrere neue Zyklen entwickelt und glauben, dass sie die CO₂-Aufnahme verdoppeln können, wenn wir es schaffen, dass sie von Pflanzen oder Bakterien verwendet werden“, sagt Tobias Erb. Wenn das gelänge, hätten die synthetischen Biologen die Photosynthese neu erfunden.

Innovativ und konservativ

Biologie wandelt sich derzeit. Sie entwickelt sich von einer beobachtenden zu einer gestaltenden Wissenschaft. „Die synthetische Biologie ist aus meiner Sicht eine natürliche Weiterentwicklung der Biologie“, sagt Erb. Der Biochemiker sieht Parallelen zur Entwicklung in der Chemie vor 100 Jahren. Auch Chemiker hätten zunächst erforscht, was Materie sei, was Moleküle seien, wie eine chemische Bindung funktioniere. „Und dann kam der Moment, wo Chemiker in der Lage waren, ihr Wissen zu nutzen, um neue Moleküle zu bauen“, sagt Erb. „Ähnliches erleben wir nun mit der synthetischen Biologie.“

Ist ein im Labor erdachter Stoffwechsel eine Respektlosigkeit gegenüber der Natur? Tobias Erb schüttelt den Kopf. Die Natur könne gar nicht alle möglichen Lösungen durchforsten oder ausprobieren. Häufig laufe die Evolution in engen Rahmenbedingungen ab: Was ist an einem bestimmten Ort, zu einer bestimmten Zeit verfügbar? „Die Natur ist in gewisser Weise super innovativ, aber gleichzeitig auch konservativ“, sagt er. Sobald sie eine Lösung gefunden habe, optimiere sie diese Lösung und bleibe dabei.

Als Beispiel nennt Tobias Erb die Photosynthese, die vor etwa drei Milliarden Jahren entstanden ist. „Es war vergleichsweise einfach, die Photosynthese zu erfinden, die Natur musste den damals vorhandenen Stoffwechsel im Prinzip nur wahrscheinlich um zwei neue Enzyme ergänzen, daraus hat sich ein robustes System entwickelt“, sagt der Marburger. Alles, was danach kam, konnte sich dagegen nicht mehr durchsetzen. Das liegt auch daran, dass Pflanzen und Organismen sich evolutionär im Weiteren für andere Herausforderungen wappnen mussten: Nährstoffknappheit, Trockenheit, konkurrierende Pflanzen und Fressfeinde. Die Verbesserung der Photosynthese, die Bindung von CO₂ unter Einfluss von Licht als Energiequelle, spielte unter diesen Bedingungen als Treiber für Veränderungen keine große Rolle. Wohl deswegen ist sie so geblieben, wie sie einst angelegt wurde.

Trotzdem hat sich die Natur mit der Bindung von CO₂ beschäftigt. Nach dem aktuellen Stand der Forschung gibt es mindestens sieben weitere Stoffwechselwege, die Kohlendioxid als Quelle für die Entwicklung eines Organismus nutzen. Nicht alle sind robust genug und alltagstauglich. Doch sie könnten Bestandteil eines neuen Stoffwechsels werden – mit dem sich die Photosynthese vielleicht verbessern ließe.

KI präsentiert Proteine

Andere Forscher gehen bei der Ergänzung der Natur erheblich weiter als die Gruppe in Marburg. Sie wollen neue Proteine herstellen, die auf natürlichem Weg eventuell noch nicht entstanden sind. Die Vorlagen dafür liefert eine Künstliche Intelligenz. David Baker ist Biochemiker an der University of Washington und hat in den vergangenen zwölf Jahren die Rosetta-Algorithmen entwickelt, mit der sich die dreidimensionale Gestalt von Proteinen vorhersagen lässt. Zunächst erleichterten die Computerergebnisse nur die Forschungsarbeit, weil die Wissenschaftler ohne großen Aufwand die Struktur des Proteins ermitteln konnten, mit dem sie arbeiten wollten. Sie wussten beispielsweise, wo es seine reaktiven Zentren hat, und ob sich die räumliche Struktur für die Aufgabe eignet, die das Protein übernehmen soll.

Inzwischen können die Algorithmen mehr liefern: Sie präsentieren Proteine, die es nach den Vorgaben der Natur geben könnte, völlig unabhängig davon, ob diese Proteine schon entdeckt worden sind oder nicht. Baker hat die KI verbessert, sie kann – vereinfacht formuliert – den typischen Aufbau eines Proteins als Aneinanderreihung von einigen Hundert oder Tausend verschiedenen Aminosäuren durchspielen. Sie hat den komplizierten Prozess der Faltung der langen Aminosäurekette verstanden und kann ihn korrekt vorhersagen. Die Mechanismen der Faltung bestimmen am Ende die räumliche Gestalt eines Proteins und damit gleichzeitig auch, ob es eine wichtige Aufgabe übernehmen kann oder unbrauchbar ist.

Diese Leistung der Algorithmen produziert einen unfassbar wertvollen Wissensschatz. Ein Beispiel aus der Medizin: Dort kommt es häufig vor, dass Forscher wissen, wie ein Protein aussehen müsste, damit sie es als Wirkstoff für eine Therapie verwenden können. Sie kennen beispielsweise den Rezeptor, den ein Krankheitserreger nutzt, um eine Zelle zu schädigen. Ein Protein könnte diese Stelle blockieren. Je passgenauer es ist, desto besser ist vermutlich die Wirkung, und desto geringer sind vermutlich die Nebenwirkungen. Doch die Suche nach diesem Spezial-Protein bleibt oft erfolglos.

Die Informatiker und Datenbankexperten rund um Baker haben im April 2024 neue Ergebnisse ihrer KI präsentiert. Die Algorithmen hatten die Vorgabe, nur die 130 Aminosäuren zu verwenden, die für die Laborarbeit leicht zugänglich sind. Sie sollten daraus Proteine bauen, die große Ringe formen können, sogenannte Makrozyklen. Makrozyklen haben sich in der Medizin bei der Therapie von Krebs und Infektionserkrankungen bewährt. Der Rechner lieferte etwa 42.000 verschiedene Formen.

Ob das Resultat der KI tatsächlich nützlich ist, können die Forscher noch nicht bewerten. Die Hoffnung ist, dass die Wirkstoffkandidaten der KI die Welt der natürlich entstandenen Makrozyklen erheblich erweitern werden. Zumindest erleichtert der Vorschlag der Algorithmen die Verfügbarkeit. „Wir haben jetzt die Möglichkeit, diese Moleküle im Labor zu entwerfen, anstatt uns auf Milliarden von Jahren Evolution verlassen zu müssen“, sagt Cyrus Harmon. Er ist CEO von Vilya, einem Start-up, das auf die KI-getriebene Wirkstoffentwicklung setzt. Bisher wurden viele dieser interessanten Ring-Proteine nach einer mühseligen Suche in Schnecken, Schwämmen oder Korallen entdeckt, die damit ihren knappen Lebensraum gegen Feinde verteidigen.

Genetischer Minimalist

Bakers Institut für Proteindesign hat im Mai eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Biotechnologie in Manchester begonnen. Die britischen Forscher beschreiten einen anderen Weg der synthetischen Biologie. Sie arbeiten im internationalen Projekt Sc2.0 an einem ehrgeizigen Ziel. Sc2.0 will das gesamte Genom der Bäckerhefe chemisch synthetisieren und dann die DNA austauschen. Der Organismus hätte dann eine künstliche DNA, die allerdings aus seinen eigenen Genen besteht. Hefen sind weitaus kompliziertere Organismen als Bakterien. Sie haben ihr Erbgut in den Zellkernen auf 16 Chromosomen verteilt.

Der Nachbau der Chromosomen ist inzwischen abgeschlossen, aber der Austausch erweist sich noch als schwierig. Die britischen Forscher gehen geduldig in kleinen Schritten vor. Sechseinhalb Chromosomen konnten in einer lebenden Hefe schon gegen die Varianten aus dem Labor ausgetauscht werden. Die so veränderte Hefe habe den Wechsel gut überstanden und wachse fast genauso gut wie der Wildtyp, berichten die Forscher.

Gleichzeitig nutzen sie ihr Wissen aus der Grundlagenforschung für ein neues Design. Im November 2023 hat das Sc2.0-Forschungsteam ein aufgeräumtes Erbgut präsentiert. Es hat Gene mit einer ähnlichen Funktion, die bisher auf verschiedene Chromosomen verteilt waren, in einem einzigen, neuen Chromosom gebündelt. Die Forscher untersuchen damit nun, ob die Verteilung der Gene auf verschiedene Chromosomen wichtig ist oder ob das einfach nur eine Laune der Evolution war.

Die kostengünstigeren und schnelleren Möglichkeiten zur Herstellung von DNA im Labor haben der synthetischen Biologie einen zusätzlichen Aufschwung gegeben. Schon 2010 hatte Craig Venter ein Genom komplett synthetisch hergestellt. Der Gentechnik-Pionier hat dann das Erbgut eines Labor-Organismus nach und nach verkleinert. Syn3.0 besitzt nur noch 473 Gene, Vergleichbares ist der Natur nicht gelungen. Venters Laborgeschöpfe zählen zur Gattung der Mykoplasmen: Es sind einfache Bakterien, die noch nicht einmal eine Zellwand bilden können, die sie vor der Umwelt und dem Austrocknen schützt. Zudem kann Syn3.0 viele der Aminosäuren, die es für den eigenen Stoffwechsel benötigt, nicht selbst produzieren. Der genetische Minimalist ist ein Beispiel dafür, wozu Forschung im Stande ist, aber selbst in einer Labor-Umgebung ausgesprochen empfindlich.

An der ETH Zürich haben die Brüder Beat und Matthias Christen 2019 die DNA eines Bakteriums im Labor vollständig synthetisch hergestellt. Sie haben dabei mithilfe von KI das Erbgut eines Süßwasser-Bakteriums so geschickt verändert, dass die Herstellung des DNA-Stranges einfacher wurde, ohne dass der Organismus seine Eigenschaften verlor. Binnen eines Jahres sei auf diesem Wege Caulobacter ethensis-2.0 entstanden, heißt es. Ganz gelungen ist das Experiment offenbar nicht. Ein Siebtel der Gene des neuen Bakteriums funktionierte in der ersten Version nicht richtig.

Doch in der synthetischen DNA steckt gleichzeitig ein Missverständnis. Zwar haben die Chemiker die Methoden für den Bau der genetischen Informationen entwickelt. Das ist aber nicht gleichbedeutend mit dem Verständnis des Genoms. „Selbst bei der minimalen Zelle von Craig Venter wissen wir bei etwa 150 Genen noch immer nicht, was die eigentlich machen“, sagt Tobias Erb.

Experimente mit E. coli

Auch die Marburger Forschergruppe um Erb musste sich entscheiden, in welchen Zellen sie ihre neuen Stoffwechselkreisläufe einsetzen will. Eignet sich eine künstliche minimale Zelle mit wenigen Genen wegen der vermeintlichen Übersichtlichkeit besser? Oder benötigt der Theta-Zyklus ein robustes, erprobtes System, beispielsweise das Arbeitspferd vieler experimentell arbeitender Zellbiologen, das Bakterium E. coli? Für Erb verbirgt sich dahinter eine fundamentale Frage: Wie plastisch sind drei Milliarden Jahre alte Zellen? „Wir haben uns gefragt, ob E. coli überhaupt noch mal eine ganz neue Biochemie erlernen kann“, sagt er rückblickend. Schließlich habe das Bakterium schon eine unglaublich lange Zeit in der Evolution hinter sich.

Die Stoffwechseldesigner haben sich für die robuste Variante entschieden. Sie bringen nun E. coli bei, den Theta-Zyklus zu nutzen. „Diese Zellen haben einige wunderbare Vorteile, nicht nur, dass sie sich vermehren, sie können sich auch selbst reparieren und die eigenen Abläufe optimieren,“ sagt Erb. Die synthetische Biologie profitiert dabei von den Erfindungen der Natur. E. coli besitzt viele Gene, die das Recycling von unerwünschten Produkten ihres eigenen Stoffwechsels ermöglichen. Erb vergleicht sie mit kleinen Wichteln, die dafür sorgen, dass sich keine giftigen Metabolite in der Zelle anhäufen. Diese Zellwichtel räumen auch die Fehler beiseite, die ein künstlicher Stoffwechsel produziert.

Wenn die Marburger Forscher ihren neuen Stoffwechselzyklus in einen Organismus einbauen, dann setzen sie der Zelle die dafür nötigen Gene ein. Doch eine solche Manipulation wird von den meisten Zellen ignoriert, sie spulen einfach ihr altbekanntes Programm ab. „Wir müssen eine Abhängigkeit herbeiführen, die die Zelle zwingt, unseren Stoffwechsel zu benutzen“, sagt Erb.

Ein Beispiel dafür ist ein kleiner Zellbaustein namens Succinyl-CoA. Die Zellen benötigen es, um eine Zellwand zu bauen. Wenn die Marburger das natürliche Gen ausschalten, mit dem Succinyl-CoA produziert wird, kann die Zelle nicht überleben. Aber der neue Stoffwechsel ermöglicht eine Alternative, wie E. coli den essenziellen Baustein herstellen kann: Das Bakterium muss dazu CO₂ aus der Umgebung aufnehmen. Die Zelle wird abhängig vom neuen Stoffwechselweg und baut ihn bereitwillig in ihren Produktionsplan ein. Sie nimmt CO₂ auf, um zu überleben.

Mit diesem Prinzip der erzeugten Abhängigkeit haben die Marburger Forscher den Theta-Zyklus in E. coli einschleusen können. „Wir setzen aber nicht das gesamte System auf einmal ein. Unser Weg ist es, der Zelle schrittweise Modul für Modul den neuen Stoffwechsel beizubringen“, sagt Erb. Den Theta-Zyklus haben die Forscher in drei Module aufgeteilt. Jeden der drei Abschnitte konnten sie in E. coli aktivieren. Im Marburger Labor stehen kleine Gefäße mit Bakterienkulturen nebeneinander, die jede für sich einen Teil eines menschengemachten Stoffwechselzyklus beherbergen. Nun gilt es, die Erfahrungen aus den drei Zellumbauten in einem einzigen Prozess zusammenzuführen.

Doch die Biologie wäre nicht so eine komplizierte Wissenschaft, wenn die Zellen nicht immer wieder für Überraschungen sorgen würden. „Zellen haben über Milliarden Jahre während der Evolution gelernt, immer eine zweite Lösung parat zu haben, falls die erste Lösung ausfällt“, sagt Erb. Durch diese Redundanz scheitert manchmal die Strategie der erzeugten Abhängigkeit. Die Zellen verwenden einen anderen Weg, der in ihrem genetischen Programm gespeichert ist. Sie aktivieren also eine schlafende Alternative. „Wenn das passiert, versuchen wir auch diese zweite Lösung auszuschalten, sonst wird E. coli den Theta-Zyklus nicht lernen“, sagt Erb.

Dafür müssen die Forscher herausfinden, welche Gene für die schlafende Alternative verantwortlich sind. Diese Suche bringt manchmal neues Wissen zu tage. Denn obwohl E. coli seit 140 Jahren bekannt ist und als Modellorganismus der Biologie an vielen Nobelpreisen beteiligt war, bleibt es ein Rätsel für die Wissenschaft. „Bei etwa einem Drittel der Proteine, die bei E. coli bekannt sind, wissen wir nicht, wofür sie verwendet werden“, berichtet Erb. So schließt sich der Kreis. Die Forschung der synthetischen Biologie liefert auch neues Wissen über die Einzigartigkeit der Natur.