Schöpfung 4.0

Liebe, Verehrung, Bewunderung – seit Jahrtausenden hat der Mensch eine ganz besondere Beziehung zum Elefanten. Aber dessen Größe, Schönheit und Kraft wurden oft nicht nur genutzt, sondern auch ausgenutzt. Das wirtschaftliche Interesse am „weißen Gold“, dem wertvollen Elfenbein der Stoßzähne, ist für das Überleben der Rasse seit jeher ein großes Problem.

Gut möglich, dass den Elefanten künftig eine völlig neue Wertschätzung widerfährt. Denn im Jahr 2015 enthüllten Wissenschaftler des Huntsman Cancer Institute an der University von Utah ein bis dahin gültiges Mysterium: Elefanten erkranken und sterben weit seltener an Krebs als wir Menschen. Das, so fanden die Wissenschaftler heraus, liegt daran, dass sie in ihrem Erbgut mehrere Kopien eines Gens namens „p53“ besitzen. Und p53 ist ein Protein, das auch als „Wächter des Erbgutes“ bekannt ist. Es gilt als „Tumorsuppressor“, da es nach der Schädigung der Erbsubstanz an der Reparatur der DNA beteiligt ist. 

„Wer in die Keimzelle eingreift, verändert den Gen-Pool von Generationen.“

Sandra Staudacher, Senior Manager PwC Österreich sowie Industry-Coordinator Healthcare & Pharma

Und da kommt die amerikanische Biochemikerin und Mikrobiologin Jennifer Doudna ins Spiel, im vergangenen Jahr unter Experten noch als Kandidatin für den Nobelpreis gehandelt. Die Professorin an der University of California in Berkeley hält es nämlich für denkbar, auch bei Menschen mehrere p53-Kopien in das Erbgut einzubauen. Doudna gilt gemeinsam mit der französischen Biologin Emanuelle Charpentier als Erfinderin der inzwischen als „Gen-Schere“ oder auch „Gen-Chirurgie“ weltweit bekannten Gentechnik-Methode „CRISPR/Cas9“, (kurz für: Clustered regularly interspaced short palindromic repeats-Cas9-System) der sperrige Fachbegriff für diese neue gentechnische Methode. Mithilfe des von ihnen seit 2012 unabhängig voneinander entwickelten Instruments wagen sich inzwischen weltweit Tausende Forscher in Hunderten Laboren an das menschliche Erbgut heran. 

Forscher und Unternehmen bekommen wegen Genome Editing weiche Knie

Die Revolution in der Gentechnik wird weite Bereiche des menschlichen Lebens wohl für immer verändern: Sport und Lifestyle, Gesundheit und Medizin, aber auch Familie und Ernährung. Das als „Genome Editing“ bezeichnete Verfahren kann für viele atemberaubende Anwendungen der Molekularbiologie eingesetzt werden, wie zum Beispiel die Untersuchung von Genfunktionen, die Einführung von Punktmutationen, den Austausch von Genen sowie das Hinzufügen oder Entfernen von Genen. Dank CRISPR/Cas9 ist es möglich, Gene an einer bestimmten Stelle ein- oder auszuschalten. 

Ursprünglich beruht CRISPR/Cas9 auf einem Immunsystem von Bakterien, mit dessen Hilfe diese sich gegen bakterienspezifische Viren zur Wehr setzen. Zwar steckt der Bereich in Bezug auf den Einsatz beim Menschen noch in den Kinderschuhen. Aber Kritiker warnen schon lautstark vor dem „Designer-Baby“.

Die Möglichkeiten der Methode verschaffen seit ihrer Entdeckung Forschern wie Unternehmen weiche Knie. Denn sie verspricht eine enorme Zeit- und Kostenersparnis im Vergleich zu herkömmlicher Gentechnik, aber auch mehr Sicherheit durch mehr Präzision. Und sie entwickelt sich derzeit fünfmal so schnell wie die Computertechnologie. Vor allem aber weckt sie Hoffnung auf wirksame Therapien für zahlreiche Zivilisationskrankheiten – von Aids und Alzheimer über Diabetes und Krebs bis zur seltenen Sichelzellenanämie. Jennifer Doudna hält sogar den Einbau lebensverlängernder Gene in das Erbgut für ein mögliches Geschäftsmodell.

Nicht nur das: In der Landwirtschaft beispielsweise lässt sich das Erbgut von Pflanzen so modifizieren, dass sie an die sich verändernden klimatischen Bedingungen angepasst sind, also etwa besser mit höheren Temperaturen oder Trockenheit zurechtkommen. So kann etwa eine wild in Südamerika vorkommende Bohnensorte mit interessanten Eigenschaften dort in einzelne Sequenzen zerlegt werden, die dann über große digitale Genbanken auf Computern in den USA oder Deutschland landen und per Genome Editing in moderne Zuchtbohnen übertragen werden. 

Alle kämpfen darum, der Natur ein Schnippchen zu schlagen

Dürreresistenter Mais, Weizen ohne Allergene, Rinder ohne Hörner, Mücken ohne Malaria-Überträger oder Schweine ohne Krankheiten – Hunger und Epidemien könnten bald für immer der Vergangenheit angehören.

Längst hat weltweit ein Run auf den künftigen Milliardenmarkt eingesetzt. „Es gibt zahlreiche Start-ups, die auf dem Gebiet forschen. Aber auch alle namhaften Pharmakonzerne investieren massiv in dem Bereich“, beobachtet Sandra Staudacher, Senior Manager sowie Industry-Coordinator Healthcare & Pharma bei PwC Österreich („Durchbruch für die Menschheit“). Selbst Datenriesen wie Google Alphabet, Microsoft und Intel befassen sich intensiv mit dieser neuen synthetischen Biologie. Microsoft-Gründer Bill Gates investierte ebenfalls schon eine dreistellige Millionensumme.

Sie alle kämpfen darum, der Natur ein Schnippchen zu schlagen und in die Schöpfung einzugreifen, die in rund vier Milliarden Jahren die DNA entwickelt hat. „In Zeiten von Big Data ist auch der Begriff ‚Schöpfung 4.0‘ naheliegend. Denn man braucht für Genomics als Instrument der Predictive Medicine Massendaten“, sagt PwC-Expertin Sandra Staudacher. 

Das Problem Big Data

Denn noch sind – abgesehen von ethischen Fragen – eines der Hauptprobleme bei der erforderlichen Einzelzellsequenzierung im Rahmen von Genome Editing die enormen Datenmengen, die dabei anfallen. Der derzeit größte Einzelzell-Datensatz enthält 1,3 Millionen Zellen. Jede Zelle enthält die vollständige DNA – beim Menschen umfasst das rund 30.000 Gene. Das stellt allein in Deutschland die wissenschaftlichen Institute vor große Herausforderungen in Bezug auf Big Data: Bei wöchentlichen Proben mit 1.500 oder mehr Zellen kommen in einer Woche leicht 50 Gigabyte an Rohdaten und mehr zusammen.

159

Dollar kostet das „Bacterial Gene Engineering CRISPR Kit“ im Webshop.

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Mit einer speziellen Plattform zur Analyse will das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt „FASTGenomics“ die Analyse der Daten nun vereinfachen. Forscher und Mediziner können darauf neueste Algorithmen in Verbindung mit Big-Data-Technologie nutzen, um eigene Studien performant und komfortabel durchzuführen. Auch die Kontrolle über die Agrarlandschaft von morgen beginnt mit Big Data. „Bis 2025 werden wir über mehr Genom- als astronomische Daten verfügen“, schätzt Jim Thomas, Research Programme Manager der Monitoring-Organisation ETC Group, die die synthetische Biologie kritisch begleitet. Die DNA-Synthese, die Fähigkeit, neue Stränge künstlicher DNA zu „drucken“, ist längst ein Massengeschäft, wie Jim Thomas konstatiert. Demnach haben bereits im Jahr 2016 Unternehmen wie Twist Bioscience, Gen9, IT-DNA und GenScript geschätzt etwa eine Milliarde Basenpaare synthetischer DNA hergestellt. 

Die Technologie ist bereits so weit fortgeschritten, dass sie auch im Kleinen für den Hausgebrauch einsetzbar ist. Konsumenten können dank Gen-Engineering Kits, wie sie etwa im Webshop „The Odin“ für jedermann angeboten werden, eigene Produkte designen – von der selbst programmierten Bierhefe für den Lieblingsgeschmack bis zur leuchtenden Zwiebel. Das „Frog Genetic Engineering Kit Beta Test Version“ bietet für 499 Dollar „alles, was Du zur genetischen Modifikation von Fröschen brauchst“ – sechs Frösche inklusive. Der Do-it-yourself-Experimentiersatz „Bacterial Gene Engineering CRISPR Kit“ für 159 Dollar hat derzeit eine Woche Wartezeit aufgrund der hohen Nachfrage.

Unternehmen und Start-ups ziehen an einem Strang

Das wohl bekannteste Start-up in diesem Bereich ist CRISPR Therapeutics. Die von Emanuelle Charpentier mitgegründete Gesellschaft mit Sitz in Basel gilt als eine der führenden Genom-Editierungs-Firmen. Sie fokussiert sich auf die Entwicklung von transformativen genbasierten Medikamenten für schwerwiegende Erkrankungen. Dafür verwendet das Unternehmen eine selbst entwickelte CRISPR/Cas9-Genom-Editierungsplattform. Neben dem auf Erbleiden wie Mukoviszidose spezialisierten US-Bio-Tech-Unternehmen Vertex arbeitet CRISPR auch mit der Bayer AG über das Joint Venture Casebia Therapeutics zusammen. Ziel ist es, neue, wegweisende Therapeutika gegen Blutkrankheiten, Blindheit und angeborene Herzerkrankungen zu entwickeln.

Einen ähnlichen Ansatz wie CRISPR Therapeutics verfolgt Editas Medicine. Das von Jennifer Doudna und Feng Zhang vom Broad Institute des MIT mitgegründete Unternehmen war 2013 das erste CRISPR/Cas9-Start-up und entwickelt vor allem Medikamente und Therapien gegen genetisch bedingte Erkrankungen wie zum Beispiel Krebs, Netzhauterkrankungen und Sichelzellenanämie. Zhang hält auch das CRISPR-Patent für die besonders lukrativen Anwendungen an „höheren“ Zellen.

Jennifer Doudnas Gründung Caribou Biosciences im kalifornischen Berkeley konzentriert sich auf die Sicherung der Welternährung durch die gentechnische Optimierung von Pflanzen und Nutztieren. Als Partner hat sie den US-Chemie- und Agrarriesen DuPont an ihrer Seite. Und für die Anwendung von CRISPR beim Menschen hat Caribou den Ableger Intellia Therapeutics ausgegründet und sich mit Novartis verbündet. Der Schweizer Pharmagigant bekam 2017 in den USA die Zulassung für die „Kymriah“ genannte Krebstherapie, mit der eine Form der Akuten Lymphatischen Leukämie bei jungen Menschen behandelt wird. Dabei werden dem Patienten bestimmte Immunzellen entnommen, dann mittels eines sogenannten vitalen Vektors so verändert, dass sie Krebszellen erkennen und zerstören können, und schließlich dem Patienten per Infusion wieder verabreicht.

Ethische Fragen und die näher rückende Vision von Jurassic Park

Kritiker der Technologie wie Margret Engelhard, Geschäftsführerin des Kompetenzzentrums Gentechnik beim Bundesamt für Naturschutz, vermissen eine Institution wie Goethes Hexenmeister, der die wild gewordenen Kräfte am Markt wieder zur Ordnung ruft. In ihrem Essay „Entzauberung des Lebens“ schreibt Engelhard: „Indem die Synthetische Biologie Lebewesen teilweise oder vielleicht irgendwann auch von Grund auf ganz neu baut, entmystifiziert sie den über Jahrhunderte gewachsenen Lebensbegriff in Richtung einer rein materialistischen Sichtweise. In einigen Fällen nimmt sie auch ganz konkret Einfluss auf das Konzept des Lebens selbst, indem sie synthetische Organismen schafft, denen Eigenschaften fehlen, die genuin zu natürlichen Lebewesen gehören.“ So werde etwa die Fähigkeit zu evolvieren in manchen Organismen eingeschränkt, um ihre Robustheit in der industriellen Produktion zu steigern. „Deshalb“, so Engelhard, „ist es wichtig, dass wir uns als Gesellschaft Gedanken machen: Wie weit wollen wir gehen? Was wollen wir nutzen? Wie weit wollen wir Organismen umgestalten?“

Dass sie mit ihren Forschungsergebnissen womöglich die Büchse der Pandora geöffnet haben, dämmert auch Doudna und Charpentier. Schließlich haben chinesische Forscher bereits das Erbgut menschlicher embryonaler Stammzellen verändert. „CRISPR/Cas9 kann der Menschheit ungeheuer viel Gutes bringen, aber natürlich müssen wir verantwortungsbewusst damit umgehen. Eingriffe in die menschliche Keimbahn beispielsweise, die das Erbgut künftiger Generationen beeinflussen, lehnen die meisten meiner Kollegen und auch ich selbst ab“, stellt Charpentier klar. Und Jeniffer Doudna sieht in ihrem aktuellen Buch „A Crack in Creation“ – ein Riss in der Schöpfung – auch neue Gefahren auf die Menschheit zukommen. Denn CRISPR/Cas9 kann sogar ganze biologische Arten auslöschen – durch eine genetische Kettenreaktion, den sogenannten Gene Drive. „Das könnte gefährlicher werden als alle bisherigen Eingriffe des Menschen in die Natur“, warnt die Wissenschaftlerin. 

Selbst die Vision von „Jurassic Park“, ausgestorbene Lebewesen wieder zu neuem Leben zu entwickeln, ist um einiges näher an die Realität gerückt. Editas-Gründer Feng Zhang arbeitet mittlerweile mit seinem Institutskollegen George Church zusammen. Der einflussreiche Seniorforscher versucht mithilfe der Gen-Schere, erhalten gebliebenes Erbgut ausgestorbener Mammuts zum Leben zu erwecken – durch Einbau in asiatische Elefanten. 

Bildnachweis: Creatas Video/GettyImages

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