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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

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

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

http://charts.webofknowledge.com/ChartServer/draw?SessionID=U2lPVGbviydudWUy8C8&Product=UA&GraphID=PI_BarChart_2_full

Synthetische Biologie: Wissenschaftliche Veröffentlichungen

4

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

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

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

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

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

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

13

System Biologie

Multiparallele Datenerfassung

Datenauswertung

Hypothesenbildung Hypothesentestung

Proteom Metabolom Transkriptom Genom 14

Design Zyklen

Evaluierung

Systemanalyse

Rekonstitution des Systems Modellierung

Neue Produkte/ Systeme 15

Genetiker erschaffen Kunst-Lebewesen

Aus: Welt Online

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0

Gibson et al. (2010) Science

Modifiziert nach: DeLorenzo, 2010. 17

Nat

ürlic

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Zufä

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Synt

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Neu

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Synt

hetis

cher

O

rgan

ism

us

natürlich

Synthetisch

Synthetische Biologie

Gentechnik

Von natürlichen zu artifiziellen Systemen

Transgen versus synthetisch

18

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

Anwendungen Synthetischer Biologie

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Prävention

Diagnostik (Biosensoren)

Therapeutika

Bioenergie

Umweltschutz

Feinchemikalien

Artemisin Produktion in E. coli und Hefe

22

Artemisin Produktion in E. coli und Hefe

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einjähriger Beifuß Artemisia annua

Artemisin

E. coli Hefe

Alkaloid Produktion in E. coli und Hefe

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E. coli Hefe

Morphium

Design neuer Stoffwechselwege

Lebende Systeme

Artifizielle Vesikel

Durchfuß-Mikroreaktoren

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Design neuer Stoffwechselwege

26

Der Stoffwechsel ist kompartimentiert und vernetzt

27

Rekonstruktion biologischer Systeme auf Basis von Genomik, Transkriptomik, Proteomik und metabolischen Flußanalysen

Natürliches Netzwerk Optimiertes Netzwerk

Stoffwechseloptimierung

Ausgewogene Expression der Stoffwechselgene

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Pro

duct

E1

E2

E3

Ger

üst

Kolokalisation der Enzyme

Räumliche Verteilung der Enzyme

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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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

33

Zellfreie synthetische Stoffwechselwege

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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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

Aminosäure Module

Flavonoid Module

Alkaloid Modules

Phenol Module

Resperin Codein Morphin Atropin Cocain Nikotin

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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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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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!