1 Synthetische Biologie
Wir wissen, dass alles, ob lebendig oder nicht lebendig, aus Atomen besteht. Was den Unterschied zwischen den beiden ausmacht, ist eine Frage. Wenn du deine Umgebung genau beobachtest, wirst du einige wunderbare Phänomene der Natur bemerken. Wenn du zum Beispiel ein paar Fische im Wasser schwimmen siehst, denkst du vielleicht, dass Fische lebendig sind, aber Wasser ist es nicht.
Du denkst vielleicht, warum die Giraffe das größte Tier ist, während die Fliege am kleinsten ist. Warum der Oktopus drei Herzen hat, der Mensch dagegen nur eines. Die Antwort auf diese komplizierte Frage ist ganz einfach: Es liegt an der unterschiedlichen Anordnung des Doppelhelixmoleküls DNA (Desoxyribonukleinsäure). Das DNA-Molekül besteht aus den Basenpaaren Adenin, Guanin, Cytosin und Thiamin. Die Anordnung dieser Basenpaare führt zur Bildung einer Vielzahl von Lebewesen.
Die Synthetische Biologie ist ein Wissenschaftszweig, der sich mit dem Engineering von Organismen beschäftigt, um ihnen einzigartige Eigenschaften zu verleihen. Im Grunde ist es eine Kombination aus Biologie und Technik. Wenn man eine Lösung für ein Problem schafft, ist es schwer, sie auf andere Probleme anzuwenden. Das neue Ziel der Synthetischen Biologie bestand also darin, eine Reihe von Lösungen für standardisierte Teile zu schaffen. Sie umfasst die folgenden vier Prinzipien:
- Normung
- Abstraktion
- Modularisierung
- Charakterisierung
Wenn die DNA-Sequenz einer bestimmten Funktion bestimmt ist, wird sie in das gewünschte Standardformat geändert, wodurch ein modularer Charakter entsteht. Sie kann in breiteren Bereichen wie Landwirtschaft, Lebensmittel, Medizin und Produktion eingesetzt werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
Der Bereich der synthetischen Biologie umfasst verschiedene Wissenschaftszweige.
2 Hybrid-Wissenschaft
Der Bereich der synthetischen Biologie umfasst verschiedene Wissenschaftszweige.
Einige Beispiele dafür, was Wissenschaftler mit Hilfe der synthetischen Biologie herstellen, sind:
- Bioremediation zur Beseitigung von Schadstoffen aus Wasser, Boden und
- Modifizierter Reis zur Erzeugung von Beta-Carotin, einem Nährstoff, der normalerweise mit Karotten in Verbindung gebracht wird und Vitamin-A-Mangel Vitamin-A-Mangel führt jedes Jahr bei 250.000 bis 500.000 Kindern zu Blindheit und erhöht das Risiko, an Infektionskrankheiten zu sterben, erheblich.
- Hefe, die entwickelt wurde, um Rosenöl als umweltfreundlichen und nachhaltigen Ersatz für echte Rosen zu produzieren, die Parfümeure zur Herstellung von Luxusdüften verwenden.
- Die synthetische Biologie ermöglicht die rasche Herstellung von Impfstoffen, was bisher ein recht zeitaufwändiger Prozess war. Sie hilft dabei, Antigene und Varianten mit schnellen Ergebnissen, hoher Expression und Kapazität zu entwerfen, zu synthetisieren, zu testen und einzusetzen.
- Zucker aus Non-Food-Biomasse kann als Baustein für die Herstellung einer Vielzahl von Biokraftstoffen und erneuerbaren Chemikalien verwendet werden, die derzeit aus teuren und preislich flüchtigen Erdölrohstoffen hergestellt werden.
- Das Metabolic Engineering von Mikroorganismen für die Produktion kleiner organischer Moleküle mit Anwendungen in den Bereichen Kraftstoffe, Chemikalien, Werkstoffe und Arzneimittel stellt eine der vielversprechendsten Möglichkeiten für die synthetische Biologie
Im weiteren Sinne umfasst die synthetische Biologie genetische Programmierung, Protein- Engineering, Stoffwechsel-Engineering, DNA-Synthese und -Zusammenbau, computergestütztes Design, Zellstatusanalyse, Systembiologie und Bioinformatik sowie In-vitro-Biochemie und künstliches Leben. Es ist also nicht falsch zu sagen, dass sie sich auf fast alle Lebensbereiche auswirkt.
3 Expressionsysteme der synthetischen Biologie
- Saccharomyces cerevisiae ist einer der am besten genetisch verwertbaren Organismen, da er leicht mit natürlicher oder synthetischer DNA transformiert werden kann.
- Escherichia coli wird für die Expression von Säugetierproteinen verwendet, seit die Biotechnologieindustrie durch das Klonen, die Expression und die Kommerzialisierung von biosynthetischem Humaninsulin ins Leben gerufen wurde.
- Actinomyceten sind eine Familie grampositiver, myzelartiger Bakterien, die eine Vielzahl von Naturprodukten produzieren und ausscheiden.
- Eine Säugetierzelle, die in der synthetischen Biologie verwendet wird, ist die Entwicklung der zellbasierten Therapie, bei der manipulierte Zellen als „lebende Medikamente“ dienen, die bestimmte therapeutische Funktionen ausführen.3
4 Anwendungsbereiche
4.1 Medizin
Die synthetische Biologie kann für die Modellierung von Signalwegen eingesetzt werden, um das Verständnis der Mechanismen der zellulären Signalübertragung zu verbessern und neue therapeutische Ziele für die Behandlung verschiedener Krankheiten zu entdecken.
4.1.1 Impfstoffe
Herkömmliche Impfstoffstrategien konzentrieren sich hauptsächlich auf abgeschwächte Lebendimpfstoffe, inaktivierte Mikroorganismen und Untereinheiten aus gereinigten Komponenten oder rekombinanten Proteinen. Die Entwicklung neuer Impfstoffe wird durch mehrere Nachteile eingeschränkt, darunter die Risiken, die mit der Verwendung abgeschwächter Krankheitserreger verbunden sind, und die Schwierigkeiten, die Zielspezifität des Impfstoffs zu verändern. Auf synthetischer Biologie basierende Impfstoffe sollen einige dieser Nachteile überwinden und eine kostengünstige und schnelle chemische Synthese von DNA ermöglichen, die für die in silico entworfenen Immunogene kodiert, sowie deren effiziente Kombination mit Trägersystemen, um vektorisierte Impfstoffe zu erhalten.1..
4.1.2 Nanopartikel
Mittels Computermodellierung wurde ein biokompatibles und biologisch abbaubares Nanopartikel entworfen, das sich aus einzelnen Polypeptidketten zu einer Struktur mit isoedrischer Symmetrie und einem Durchmesser von ∼16 nm zusammensetzt. Nanopartikel spielen eine wichtige Rolle bei der gezielten Verabreichung von Medikamenten.
4.1.3 Personalisierte Medizin
Bei den meisten der derzeitigen Krebsbehandlungen wird nicht zwischen Krebs und normalem Gewebe unterschieden. Neben den individuellen Variationen berücksichtigt die personalisierte Therapie die Tatsache, dass Krebs sowohl genetisch als auch phänotypisch bei Patienten variiert, die möglicherweise den gleichen Krebstyp und das gleiche Stadium haben. Die personalisierte Therapie zielt darauf ab, den bösartigen Tumor zu behandeln und dabei das normale Gewebe zu schonen. Die synthetische Biologie bietet viele Möglichkeiten für die Entwicklung personalisierter Krebstherapien.
4.1.4 Stammzellen
Stammzellen können zu spezialisierten Zellen verändert werden, die zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden können. Dazu gehört auch das Wirkstoffscreening für personalisierte Therapien. Das Engineering von Stammzellen, um neue Funktionen zu erreichen, die in unserem Körper nicht vorhanden sind, und sie in den Spender zurückzubringen, z. B. können Zellen, die an der Immunantwort beteiligt sind, so programmiert werden, dass sie spezifische Mikroorganismen erkennen und sie auf effizientere Weise bekämpfen, als es unser eigenes Immunsystem kann. Aufrechterhaltung einer Population von Betazellen bei Diabetikern durch selbstregulierte Differenzierung von embryonalen Stammzellen, die die Autoimmunschwäche ausgleicht.
4.2 Materialien
4.2.1 Fashion
Die sich schnell ändernden Modetrends haben katastrophale Auswirkungen auf die Umwelt, da ihre Farbstoffe und Stoffausrüstungen, der Verbrauch fossiler Brennstoffe und die Verschmutzung von Mikrofasern. Das französische Unternehmen Pili hat Enzyme synthetisiert, die so angepasst werden können, dass sie verschiedene Farben erzeugen, und sie dann in Bakterien Die Bakterien sind dann in der Lage, Pigmente zu erzeugen. Der Farbstoff von Pili wird ohne Erdölprodukte oder Chemikalien hergestellt und benötigt nur ein Fünftel des Wassers herkömmlicher Farbstoffe.
4.2.2 Biozement
Die Herstellung von Zement (ein Hauptbestandteil von Beton) ist für etwa acht Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, da für den Abbau, den Transport und die Aufbereitung der Rohstoffe Energie benötigt Forscher von bioMason North Carolina entdeckten dies, indem sie Sand in Formen einbrachten und ihn mit Bakterien injizierten, die dann mit Kalziumionen in Wasser gefüttert wurden. Die Ionen bilden mit den Zellwänden der Bakterien eine Kalziumkarbonathülle, wodurch die Partikel zusammenkleben. Ein Ziegelstein wächst in drei bis fünf Tagen. Er reduziert die Produktion von Treibhausgasen.
4.3 Umwelt
4.3.1 Bioremediation
Mikroben werden schon seit Jahrzehnten zur Erkennung, Identifizierung und Quantifizierung von Umweltschadstoffen eingesetzt. Jetzt können synthetisch hergestellte mikrobielle Biosensoren gezielt auf bestimmte Giftstoffe wie Arsen, Kadmium, Quecksilber, Stickstoff, Ammonium, Nitrat, Phosphor und Schwermetalle reagieren und diese auf unterschiedliche Weise aufspüren. Ein Unternehmen im Vereinigten Königreich nutzt die synthetische Biologie, um ein körniges Material herzustellen, das Mikroverunreinigungen wie Pestizide, Arzneimittel und bestimmte Chemikalien im Abwasser anzieht und daran haftet. Die Forscher in Australien experimentieren mit der Schaffung einer mehrzelligen Struktur, die als „synthetische Qualle“ bezeichnet wird und nach einem Giftunfall freigesetzt werden könnte, um die Schadstoffe abzubauen.
4.3.2 Klimawandel
Wissenschaftler setzen synthetische Biologie ein, um amerikanische Kastanienbäume widerstandsfähiger gegen einen tödlichen Pilz zu machen. Amerikanische Kastanienbäume dominierten die Ostküste der USA bis 1876, als ein Pilz, der durch importierte Kastaniensamen übertragen wurde, die Bäume zerstörte und bis 1950 weniger als ein Prozent der Bäume übrig blieben. Um Bäume zu züchten, die gegen den Pilzbefall resistent sind, haben Wissenschaftler ein Weizengen in Kastanienembryonen eingefügt, das sie in die Lage versetzt, ein Enzym zu produzieren, das den Pilz
4.3.3 Wüsten rekultivieren
Veränderung der Gene von Cyanobakterien, die die Feuchtigkeit in der Bodenkruste von Halbwüsten-Ökosystemen beeinflussen, so dass der Boden mehr Wasser speichert und mehr Vegetation wachsen kann.
4.4.4 Nahrung
Der Klimawandel führt zu höheren Temperaturen, Wetterextremen, Dürren, steigendem Kohlendioxidgehalt und dem Anstieg des Meeresspiegels. Diese Faktoren gefährden die Quantität und Qualität unserer Nahrungsmittelversorgung. Da die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich auf 10 Milliarden Menschen anwachsen wird, könnte die weltweite Nachfrage nach Nahrungsmitteln um 59 bis 98 Prozent steigen.
4.4 Landwirtschaft
4.4.1 Trockenresistenz
Wenn Pflanzen unter trockenen Bedingungen wachsen, setzen sie ein Hormon frei, das die Poren der Pflanze schließt, um Wasser zurückzuhalten, ihr Wachstum verlangsamt und die Samen in der Ruhephase hält. Dieses Hormon ist teuer in der Synthese. Daher arbeiteten Forscher der University of California, San Diego, mit synthetisch entwickelten Rezeptoren in Tomatenpflanzen, die auf ähnliche Weise wassersparend auf ein üblicherweise verwendetes Fungizid reagierten und die Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit machten.
4.3.2 CO2-Speicher
Die Wissenschaftler des Salk Institute haben Gene identifiziert, die das Wurzelsystem von Pflanzen dazu bringen, tiefer in den Boden zu Sie planen, genetische Pfade zu entwickeln, um tiefere Wurzeln zu fördern, die es Nutzpflanzen ermöglichen, Stress zu widerstehen, mehr Kohlenstoff zu speichern und den Boden anzureichern.
4.3.3 Protein
Alternativ gibt es die Möglichkeit mit künstlich hergestellte Mikroben Lebensmittelproteine zu produzieren. Diese können ähnliche Geschmacksrichtungen wie Rindfleisch und Milchprodukte aufweisen.
4.5 Energie
4.5.1 Bioethanol
Ein Organismus, der auf natürliche Weise Ethanol aus Industrieabgasen herstellt, wurde von Forschern in Illinois entdeckt. Nachdem das Unternehmen ihn mit Stoffwechselwegen anderer Organismen kombiniert hatte, um seine Leistung zu verbessern, ist der Organismus in der Lage, einzigartige Moleküle für wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe herzustellen.
4.5.2 CO2-Speicher
Lignin ist ein wichtiger Bestandteil von Pflanzen, der wie andere Arten von Biomasse für erneuerbare Brennstoffe und Chemikalien verwendet werden könnte. Wissenschaftler haben ein natürlich vorkommendes Enzym entwickelt, das Lignin abbauen kann. Dadurch könnte es möglich werden, Lignin zur Herstellung von Nylon, Biokunststoffen und sogar Kohlenstofffasern zu
5 Zukunft der Synthetischen Biologie
So wie die Anordnung von Nullen und Einsen die digitale Übermittlung aller Arten von Informationen ermöglichte, verändert die Änderung des genetischen Codes – A, T, C und G, was für Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin steht, die vier Nukleotide, aus denen die DNA besteht – die biologischen Systeme. Einer Studie zufolge könnte die Synthetische Biologie in großem Umfang in der verarbeitenden Industrie eingesetzt werden, die mehr als ein Drittel der weltweiten Produktion ausmacht, d. h. 30 Billionen Dollar an Wert. Die Technologien der Synthetischen Biologie sind endlich ausgereift und werden zu einer Möglichkeit, fast alles wettbewerbsfähig und nachhaltig herzustellen. Die Unternehmen müssen lernen, die synthetische Biologie zu nutzen, um neue Produkte und Verfahren zu entwickeln, bestehende zu verbessern und Kosten zu senken, um auch in Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben.
