Zu Beginn der Pandemie haben Forscher in China die Erbgutsequenz des Coronavirus – den genetischen Bauplan für seine Herstellung – mit der ganzen Welt geteilt: Sie luden die Information in genetischen Datenbanken hoch. Ein Schweizer Forscherteam griff darauf zu, synthetisierte anschließend das gesamte Genom und baute damit das Virus nach; teleportierte Sars-CoV-2 also sozusagen zu Forschungszwecken ins eigene Labor, ohne auf den Transport per Post warten zu müssen. Das zeigt beispielhaft, wie medizinischer und wissenschaftlicher Fortschritt entstehen, indem man ganze Genome handfest umsetzt.

Dies, die Gesamtgenomsynthese, ist ein nächster Schritt in der boomenden synthetischen Biologie. Wissenschaftler nutzen dabei Software, um genetische Sequenzen zu entwerfen und als neuen Code anschließend etwa in Mikroben einzuführen. Die umprogrammierten Bakterien können dann eine gewünschte Arbeit verrichten, zum Beispiel neue Medikamente herstellen.

Vom winzigen Virusgenom hin zum bakteriellen Kraftwerk

Bislang werden Erbgutsätze meist nur leicht verändert. Doch durch Verbesserungen in der Synthesetechnologie und der Software lassen sich immer größere Abschnitte aus genetischem Material erzeugen und Genome in größerem Maßstab verändern.

Angefangen hatten Forscher im Jahr 2002 mit dem Erbgut von Viren wie dem Polioerreger, dessen vergleichsweise winziger genetischer Code sich aus etwa 7500 Nukleotiden zusammensetzt. Wie aktuell beim Coronavirus halfen die damals synthetisierten Virusgenome zu verstehen, wie sich die Viren verbreiten und wie sie Krankheiten auslösen. Zum Teil designen Wissenschaftler Syntheseviren, um damit Impfstoffe zu produzieren und sie für Immuntherapien einzusetzen.

Mittlerweile ist es möglich, Genome zu konstruieren, die aus mehr als einer Million Nukleotiden bestehen, etwa solchen von Bakterien oder Hefe. Im Jahr 2019 baute ein Team eine Version des Genoms des Bakteriums Escherichia coli – inklusive Platzhaltern für zusätzlichen Code. Damit konnten die Wissenschaftler dem Bakterium weitere Befehle zur Umsetzung übermitteln.

Ein anderes Team hat eine erste Version des Genoms von Bierhefe erstellt, die aus beinahe elf Millionen Code-Buchstaben besteht. Auf der Basis eines derart groß dimensionierten Synthesedesigns lassen sich Medikamente oder verschiedenste andere Substanzen fabrikmäßig herstellen. Unterschiedliche Konstrukte könnten auf nachhaltige Weise Chemikalien, Kraftstoffe oder neuartige Baustoffe aus Biomasse oder vielleicht sogar aus Abgasen wie Kohlendioxid produzieren.

Der nächste Schritt: Pflanzen, Tiere und Menschen

Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten mit noch größeren Genomen arbeiten, etwa denen von Pflanzen, Tieren oder Menschen. Dafür sind allerdings weitere Investitionen in die Entwicklung von Design-Software nötig – die ziemlich sicher mit Maschinenlernprozessen arbeiten wird – sowie in schnellere, günstigere Methoden, mit denen DNA-Sequenzen von mindestens Millionen Nukleotiden Länge synthetisiert und zusammengebaut werden. Mit ausreichender Finanzierung könnten Synthesegenome mit einer Milliarde Nukleotide noch vor Ende dieses Jahrzehnts Wirklichkeit werden.

Den Forschern schweben dabei viele Anwendungen vor. Darunter Pflanzen, die gegen Krankheitserreger resistent sind, oder eine »ultrasichere« menschliche Zelllinie – unempfindlich beispielsweise gegenüber Virusinfektionen, Krebs oder Strahlung. Sie könnte die Grundlage für zellbasierte Therapien werden oder verschiedene Biomaterialien herstellen. Unweigerlich perfektionieren wir ebenso die Fähigkeit, unser eigenes menschliches Genom umzuschreiben. Das könnte es der Medizin ermöglichen, viele genetische Krankheiten zu heilen – und einmal vielleicht sogar alle.

Dem Missbrauch früh entgegentreten

Natürlich könnte die gesamte Genomsynthese auch missbraucht werden. Die größten Befürchtungen drehen sich dabei um waffenfähige Krankheitserreger oder um die von diesen erzeugten Giftstoffe. Wissenschaftler und Ingenieure werden umfassende Sicherheitsnetze entwickeln müssen, die eine Ausbreitung neuer Bedrohungen in Echtzeit überwachen, erkennen und bremsen. Ermittlerinnen und Ermittler werden Teststrategien erfinden müssen, die sich schnell in großem Umfang umsetzen lassen, wenn der Ernstfall eintritt. Dringend geboten ist, dass die Regierungen weltweit sich deutlich besser koordinieren und besser zusammenarbeiten als bisher.

Das »Genome Projekt-write«, ein im Jahr 2016 gegründetes Konsortium, hat sich zum Ziel gesetzt, den Aufbau eines solchen Sicherheitsnetzes zu fördern. Im Projekt sind Hunderte von Wissenschaftlerinnen, Ingenieuren und Ethikern aus mehr als einem Dutzend Länder damit beschäftigt, Technologien zu entwickeln, Praxistipps zu verbreiten, Pilotprojekte durchzuführen und ethische, rechtliche und gesellschaftliche Auswirkungen mitzudenken.