Bioengineering – zukünftige Trends aus der Sicht eines transatlantischen Expertenteams

Do, 07.12.2017 - 14:53 — Redaktion

RedaktionIcon Politik & GesellschaftBioengineering bietet vielversprechende Ansätze, um die großen Herausforderungen in Angriff zu nehmen, denen unsere Gesellschaften ausgesetzt sind. Welche Entwicklungen hier kurzfristig und auch längerfristig besonders wichtig werden und welche Möglichkeiten und Risiken damit verbunden sind, hat ein internationales Team aus vorwiegend englischen und amerikanischen Experten aus ihrer Sicht als Wissenschafter, Innovatoren, Industrieangehörige und Sicherheitsgemeinschaft untersucht und zwanzig Themen in den Sektoren Gesundheit, Energie, Landwirtschaft und Umwelt identifiziert.*

Was versteht man unter Bioengineering?

In der allgemeinsten Definition bedeutet Bioengineering die Anwendung natur- und ingenieurwissenschaftlicher Konzepte und Methoden auf biologische Systeme. Sehr häufig wird synonym der Begriff Synthetische Biologie verwendet - beispielsweise definiert der wissenschaftliche Rat der Europäischen Akademien EASAC Synthetische Biologie als "Anwendung von Prinzipien der Ingenieurwissenschaften auf die Biologie". Dies ist auch in dem folgenden Text der Fall.

Identifizierung neuer, relevanter Entwicklungen im Bioengineering

Die raschen Fortschritte in synthetisch biologischen Praktiken ermöglichen es Probleme der realen Welt anzugehen: die gezielte Änderung des Erbguts ("Genome editing"), die neuen Möglichkeiten zur Geweberegeneration und zum Ersatz von Organen (u.a. mittels 3D-Printer) versprechen bislang ungeahnte Chancen für neue effiziente Therapien. Ebenso wird Bioengineering in den Sektoren Energie und Transport, in Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion , Wasser- und Abfallmanagement eine wesentliche Rolle spielen.

Dass solche Anwendungen massive Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft haben werden, ist nur zu wahrscheinlich. Welche Entwicklungen des Bioengineering werden in näherer aber auch weiterer Zukunft relevant, welche Vorteile, welche Risiken werden sie bringen?

Dies behandelt eine eben, im frei zugänglichen Journal e-Life erschienene Untersuchung eines internationalen Expertenteams unter Leitung von Bonnie Wintle und Christian Böhm (University Cambridge, Centre for the Study of Existential Risk) [1]. Teilnehmer waren insgesamt 28 Wissenschafter aus Großbritannien und den Vereinigten Staaten mit unterschiedlichem Background in den Naturwissenschaften, Ingenieurwissenschaften, Sozial- und Geisteswissenschaften. In einem mehrstufigen Prozess - einem sogenannten Horizon Scan Verfahren - identifizierte und beschrieb jeder Teilnehmer auf Basis seiner Expertise - seiner Tätigkeit in der Industrie, als akademischer Forscher, Innovator oder als Sicherheitsexperte - 2 bis 5 Themen, die er für die wesentlichsten neuen Anwendungsgebiete im Bioengineering hielt. So resultierte anfänglich eine lange Liste von 70 neuen Gebieten, die von den Teilnehmern einzeln nach Neuheit, Plausibilität und Auswirkungen beurteilt wurden. Aus den Top-rankenden Themen entstand eine neue, kürzere Liste, jedes Thema wurde dann separat in Gruppen diskutiert und auf dieser Basis eine Endbewertung von jedem Einzelnen vorgenommen.

Schlussendlich liegt nun eine Liste von 20 relevanten Entwicklungen im Bioengineering vor. Im Folgenden sind einige davon angeführt, grob eingeteilt nach dem Zeitpunkt, an dem sie relevant werden können (d.i. Auswirkungen auf die Gesellschaft haben): in früher Zukunft (d.i. in weniger als 5 Jahren), zu einem späteren Zeitpunkt (5 - 10 Jahren) oder erst nach mehr als 10 Jahren.

Die wichtigsten Themen innerhalb der nächsten fünf Jahre

Künstliche Photosynthese und Kohlenstoffdioxydabscheidung zur Produktion von Biotreibstoffen

Wenn man die technischen Schwierigkeiten in den Griff bekommt, können solche Entwicklungen die künftige Einführung von Systemen zur Kohlenstoffabscheidung ermöglichen und dabei nachhaltige Quellen für Rohchemikalien und Treibstoffe liefern. Abbildung 1.

Abbildung 1. Aus Biomasse wird über geeignete Mikroorganismenstämme Treibstoff erzeugt. (Bild von der Redaktion eingefügt; Quelle: Kang, A.; Lee, T.S. Converting Sugars to Biofuels: Ethanol and Beyond. Bioengineering 2015, 2, 184-203 Artikel steht unter cc-by 4.0 Lizenz).

Ankurbeln der Photosynthese zur Steigerung der Produktivität in der Landwirtschaft

Um die Ernteerträge auf derzeit bewirtschaftetem Land zu steigern und die Sicherheit der Nahrungsversorgung zu gewährleisten, kommt der synthetischen Biologie eine Schlüsselrolle zu: durch Steigerung der Photosynthese, Reduzieren der Verluste in der Vor-Erntezeit und ebenso der Abfälle nach der Ernte und durch den Verbraucher.

Neue Ansätze zur beschleunigten Ausbreitung von Genen (Gene drives)

Diese sollen die Vererbung wünschenswerter genetischer Merkmale in einer Spezies fördern, beispielsweise Malaria-übertragende Mücken davon abzuhalten sich zu vermehren. Bei dieser Technologie erhebt sich allerdings die Frage, ob damit nicht Ökosysteme verändert werden, möglicherweise Nischen geschaffen werden, in denen ein neuer Krankheitsüberträger oder sogar ein neuer Krankheitskeim Unterschlupf findet.

Gezielte Änderung des menschlichen Erbguts (Genome editing)

Technologien, wie beispielsweise das CRISPR/Cas9 System, bieten Möglichkeiten die Gesundheit des Menschen zu verbessern und seine Lebensdauer zu steigern. Allerdings schafft die Etablierung solcher Methoden größere ethische Probleme. Es ist ja machbar, dass dann Einzelpersonen aber auch Staaten mit den entsprechenden finanziellen und technologischen Mitteln strategische Vorteile an zukünftige Generationen weitergeben können.

Abwehrforschung

Behörden in den USA (US Defense Advanced Research Projects Agency DARPA ) und auch im UK (Defence Science and Technology Laboratory) investieren massiv in Forschungsgebiete der synthetischen Biologie, um bestimmte Bedrohungen abwehren oder darauf reagieren zu können. Investitionen im Bereich Landwirtschaft, "Gene drives" u.a. erhöhen das Risiko einer "doppelten Nutzung". Beispielsweise gibt es ein DARPA Programm (Insect Allies Program), das plant Insekten zu verwenden, um auf deren Futterpflanzen Merkmal verändernde Pflanzenviren zu verbreiten mit dem Ziel die Ernten vor möglichen Pflanzenpathogenen zu schützen. Allerdings können Andere derartige Technologien auch anwenden, um zielgerichtet Pflanzen zu schädigen.

Wichtigste Themen innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre

Regenerative Medizin - 3D Drucken von Körperteilen und Gewebetechnik

Diese Technologien werden zweifellos Beschwerden als Folge schwerer Verletzungen und unzähliger Krankheiten erleichtern. Abbildung 2.

Abbildung 2. 3D Drucken von Geweben, Organen und Prothesen. (Bild von Redaktion eingefügt; Quelle:S Vijayavenkataraman et al., Bioengineering 2017, 4(3), 63; doi:10.3390/bioengineering4030063. Der Artikel steht unter einer cc-by 4.0 Lizenz)

Dagegen ist ein Umkehren des altersbedingten Verfalls mit ethischen, sozialen und ökonomischen Bedenken belastet. Gesundheitssysteme würden sehr schnell an ihre Belastungsgrenze stoßen, wenn sie allen alternden Bürgern Körperteile ersetzen wollten. Es würde auch zu neuen sozioökonomischen Klassen führen, da nur diejenigen, ihre Jahre in Gesundheit ausdehnen könnten, die es sich leisten könnten.

Mikrobiom-basierte Therapien

Das Mikrobiom des Menschen ist in zahlreiche Krankheiten involviert - von Parkinson bis hin zum Darmkrebs und ebenso in Stoffwechselerkrankungen wie Fettsucht und Diabetes Typ 2. Ansätze der synthetischen Biologie können hier die Entwicklung wirksamerer Mikrobiota-basierter Therapien beschleunigen. Es gibt hier allerdings das Risiko, dass sich DNA von genetisch modifizierten Mikroorganismen auf andere Keime im menschlichen Mikrobiom oder in der weiteren Umgebung ausbreiten kann.

Schnittstelle von Informationssicherheit und Bioautomation

Fortschritte in der Automatisierungstechnik verbunden mit schnelleren und verlässlicheren Verfahrenstechniken haben zur Entstehung von "Robotic Cloud Labs" geführt: in diesen wird digitale Information in DNA umgesetzt und diese dann in einigen Zielorganismen exprimiert. Dies erfolgt mit sehr hohem Durchsatz und sinkender Überwachung durch den Menschen. Das hohe Vertrauen in Bioautomatisierung und der Einsatz von digitaler Information aus vielen Quellen öffnen die Möglichkeit zu neuen Bedrohungen für die Informationssicherheit: ein Herumpfuschen an digitalen DNA-Sequenzen könnte die Produktion schädlicher Organismen nach sich ziehen, Angriffe auf kritische DNA Sequenz-Datenbanken und auf die Ausrüstung könnte die Herstellung von Vakzinen und Arzneimitteln sabotieren.

Wichtigste langfristigeThemen

Neue Hersteller stören die Pharma-Märkte

Gemeinschaftliche Bio-Laboratorien und unternehmerische Startups adaptieren und teilen Methoden und Geräte für biologische Experimente und Techniken. Verbunden mit Open-Business Modellen und Open Source Technologien kann dies Gelegenheiten bieten, um maßgeschneiderte Therapien für regionale Krankheiten zu produzieren, welche große multinationale Konzerne als nicht genug profitabel ansehen. Dies lässt aber wieder Bedenken aufkommen betreffend einer (Zer)störung existierender Herstellermärkte und der Versorgungsketten mit Rohmaterialien und ebenso Befürchtungen hinsichtlich unzulänglicher Regulierung, weniger strenger Kontrolle der Produkte und falscher Anwendung.

Plattform-Technologien um Ausbrüche von Pandemien anzugehen

Ausbrüche von Infektionskrankheiten - wie jüngst die Ausbrüche von Ebola und Zika Virusinfektionen - und mögliche Angriffe mit biologischen Waffen benötigen skalierbare, flexible Diagnostik und Behandlung. Neue Technologien können die rasche Identifizierung des Verursachers, die Entwicklung von Vakzinen(Kandidaten) und Pflanzen-basierte Produktionssysteme für Antikörper ermöglichen.

Veränderte Eigentümer-Modelle in der Biotechnologie

Der Anstieg von patentfreien, generischen Hilfsmitteln und das Absinken der technischen Barrieren in der Ingenieurbiologie kann Menschen in ressourcenarmen Gebieten helfen eine nachhaltige Bioökonomie zu entwickeln, die auf lokalen Bedürfnissen und Prioritäten basiert.

Fazit

Das Wachstum der bio-basierten Ökonomie verspricht Nachhaltigkeit und neue Methoden, um auf globale Herausforderungen durch Umweltprobleme und Gesellschaft zu reagieren. Wie die vorliegende Untersuchung zeigt, können aber daraus auch neue Herausforderungen und Risiken entstehen. Es muss also umsichtig vorgegangen werden, um die Vorteile sicher zu erhalten.


[1] Bonnie C Wintle, Christian R Boehm, Catherine Rhodes, Jennifer C Molloy, Piers Millett, Laura Adam, Rainer Breitling, Rob Carlson, Rocco Casagrande, Malcolm Dando, Robert Doubleday, Eric Drexler, Brett Edwards, Tom Ellis, Nicholas G Evans, Richard Hammond, Jim Haseloff, Linda Kahl, Todd Kuiken, Benjamin R Lichman, Colette A Matthewman, Johnathan A Napier, Seán S ÓhÉigeartaigh, Nicola J Patron, Edward Perello, Philip Shapira, Joyce Tait, Eriko Takano, William J Sutherland. A transatlantic perspective on 20 emerging issues in biological engineering. eLife, 2017; 6 DOI: 10.7554/eLife.30247
*Dem vorliegenden Artikel wurden im Wesentlichen der am 21. November 2017 in den News der University Cambridge erschienene Bericht: "Report highlights opportunities and risks associated with synthetic biology and bioengineering" und kurze Sequenzen aus dem Originalartikel [1] zugrunde gelegt . Beide Quellen sind unter cc-by 4.0 lizensiert. Die möglichst wortgetreue Übersetzung stammt von der Redaktion.

Weiterführende Links

The Future of Medicine Cambridge University. Video 11:41 min. https://www.youtube.com/watch?time_continue=7&v=ZGGDKC3GlrI
Nanobots that patrol our bodies, killer immune cells hunting and destroying cancer cells, biological scissors that cut out defective genes: these are just some of the technologies that Cambridge University researchers are developing and which are set to revolutionise medicine in the future. To tie-in with the recent launch of the Cambridge Academy of Therapeutic Sciences, researchers discuss some of the most exciting developments in medical research and set out their vision for the next 50 years.

Artikel im ScienceBlog

  • Helge Torgenson; 26.07.2013: Sag, wie ist die Synthetische Biologie? Die Macht von Vergleichen für das Image einer Technologie
  • Peter Schuster; 19.07.2013: Können wir Natur und Evolution übertreffen? Teil 2: Zum Design neuer Strukturen
  • Peter Schuster; 12.07.2013: Können wir Natur und Evolution übertreffen? Teil 1: Gedanken zur Synthetischen Biologie
  • Gerhard Wegner; 28.06.2013: Anmerkungen eines Laien zur Synthetischen Biologie – Teil 2
  • Gerhard Wegner ; 21.06.2013: Anmerkungen eines Laien zur Synthetischen Biologie – Teil 1