Von KIM BELLARD
Synthetische Biologie ist für mich genauso wichtig wie KI: Ich verstehe sie aus technischer Sicht nicht wirklich, bin aber von ihrem Potenzial begeistert. Manchmal überschneiden sich die beiden Bereiche sogar, wie ich später noch erläutern werde. Aber ich werde mit einigen aktuellen Entwicklungen im Bereich Biokunststoffe beginnen, einem Thema, das ich bisher irgendwie nie wirklich behandelt habe.
Beginnen wir mit einer Arbeit an der Washington University (St. Louis), bei der es ausgerechnet um Purpurbakterien geht. Falls Sie es nicht wussten – ich jedenfalls nicht – Purpurbakterien „sind eine spezielle Gruppe von Wassermikroben, die für ihre Anpassungsfähigkeit und Fähigkeit bekannt sind, aus einfachen Zutaten nützliche Verbindungen herzustellen“, heißt es in der Pressemitteilung. Die Forscher verwandeln die Bakterien in Bioplastikfabriken.
Eine Studie unter der Leitung des Doktoranden Eric Connors zeigte, dass zwei „obskure“ Arten von Purpurbakterien Polyhydroxyalkanoate (PHAs) produzieren können, ein natürliches Polymer, das gereinigt werden kann, um Kunststoffe herzustellen. Eine weitere Studie unter der Leitung der Forschungsleiterin Tahina Ranaivoarisoa nutzte eine andere „gut untersuchte, aber notorisch störrische“ Art von Purpurbakterien, um deren Produktion von PHAs drastisch zu steigern, indem man ein Gen einfügte, das dazu beitrug, sie in „relative PHA-Kraftpakete“ zu verwandeln. Die Forscher sind optimistisch, dass sie mit anderen Bakterien noch höhere Mengen an Bioplastik produzieren könnten.
Die Arbeit wurde im Labor von Aripta Bose durchgeführt, der außerordentlicher Professor war. Bose sagte: „Es besteht eine große globale Nachfrage nach Biokunststoffen. Sie können ohne CO2-Emissionen in die Atmosphäre hergestellt werden und sind vollständig biologisch abbaubar. Diese beiden Studien zeigen, wie wichtig es ist, mehrere Ansätze zu verfolgen, um neue Wege zur Herstellung dieses wertvollen Materials zu finden.“
„Es lohnt sich, einen Blick auf Bakterien zu werfen, die wir bisher noch nicht untersucht haben“, sagte Conners. „Wir sind noch nicht einmal annähernd an ihr Potenzial herangekommen.“ Professor Bose stimmt zu: „Wir hoffen, dass diese Biokunststoffe in Zukunft echte Lösungen hervorbringen werden.“
Unterdessen haben Forscher am Korea Advanced Institute of Science and Technology unter der Leitung von Sang Yup Lee Bakterien manipuliert, um Polymere mit „ringartigen Strukturen“ herzustellen, die den Kunststoff offenbar steifer und wärmebeständiger machen. Normalerweise wären diese Strukturen für die Bakterien giftig, aber den Forschern gelang es, E. coli-Bakterien dazu zu bringen, sie zu tolerieren und zu produzieren. Die Forscher glauben, dass das Polymer besonders für biomedizinische Anwendungen wie die Verabreichung von Medikamenten nützlich sein könnte.
Wie bei der Arbeit der Washington University wird auch bei dieser Forschung kein Ertrag im großen Maßstab erzielt, aber die Forscher sind zuversichtlich, dass dies möglich ist. „Wenn wir mehr Anstrengungen unternehmen, um den Ertrag zu steigern, könnte diese Methode in größerem Maßstab kommerzialisiert werden“, sagt Professor Lee. „Wir arbeiten daran, die Effizienz unseres Produktionsprozesses sowie des Rückgewinnungsprozesses zu verbessern, damit wir die von uns produzierten Polymere wirtschaftlich reinigen können.“
Da das Polymer mithilfe biologischer statt chemischer Prozesse hergestellt wird und biologisch abbaubar ist, glauben die Forscher, dass es für die Umwelt von Bedeutung sein kann. „Ich denke, die Bioproduktion wird ein Schlüssel zum Erfolg bei der Eindämmung des Klimawandels und der globalen Plastikkrise sein“, sagt Professor Lee. „Wir müssen international zusammenarbeiten, um die biobasierte Produktion zu fördern, damit wir für unsere Zukunft eine bessere Umwelt gewährleisten können.“
Auch die Forscher der University of Virginia beschäftigen sich intensiv mit den Auswirkungen auf die Umwelt. Sie arbeiten an der Herstellung biologisch abbaubarer Biokunststoffe aus Lebensmittelabfällen. „Indem wir kostengünstige Biokunststoffe herstellen, die sich auf natürliche Weise zersetzen, können wir die Plastikverschmutzung an Land und in den Ozeanen reduzieren und wichtige Probleme wie Treibhausgasemissionen und wirtschaftliche Verluste im Zusammenhang mit Lebensmittelabfällen angehen“, sagte der leitende Forscher Zhiwu „Drew“ Wang.
Das Team entwickelt Mikroorganismen, die Lebensmittelabfälle in Fette umwandeln, die dann zu Biokunststoffen verarbeitet werden. Diese Biokunststoffe sollten dann leicht zusammengesetzt werden können. „Unser erster Schritt ist die Herstellung einer einschichtigen Folie, um zu sehen, ob sie als tatsächliches Produkt verwendet werden kann“, sagte Chenxi Cao, ein Senior im Bereich Verpackung und Systemdesign. „Wenn sie gute Sauerstoff- und Wasserdampfbarrieren und andere Eigenschaften aufweist, können wir mit dem nächsten Schritt fortfahren. Unser Ziel ist es, herkömmliche beschichtete Papierprodukte durch PHA zu ersetzen. Aktuelle Papierprodukte sind oft mit Polyethylen oder Polymilchsäure beschichtet, die nicht vollständig abbaubar sind. PHA ist in der Natur vollständig biologisch abbaubar, sogar in der Umgebung von Hinterhöfen.“
Derzeit befindet sich der Ansatz noch im Stadium eines Pilotprojekts.
Und wenn das alles noch nicht cool genug ist, könnte unser eigener Körper zu Biofabriken werden, die Medikamente oder Impfstoffe liefern. Anfang des Jahres berichteten Forscher der UT Southwestern über die „In-situ-Produktion und -Sekretion von Proteinen“, die in diesem Fall auf Schuppenflechte und zwei Krebsarten abzielten.
Die Forscher erklären: „Mit diesem technischen Ansatz kann der Körper als Bioreaktor genutzt werden, um praktisch jedes kodierbare Protein zu produzieren und systematisch auszuscheiden, das sonst auf den intrazellulären Raum der transfizierten Zelle beschränkt wäre, was neue therapeutische Möglichkeiten eröffnet.“
„Anstatt häufig für Infusionen ins Krankenhaus oder in die Ambulanz zu gehen, könnte diese Technologie es einem Patienten eines Tages ermöglichen, einmal im Monat eine Behandlung in der Apotheke oder sogar zu Hause zu erhalten, was seine Lebensqualität deutlich steigern würde“, sagte Studienleiter Dr. Daniel Siegwart. Professor Siegwart glaubt, dass diese Art der In-situ-Produktion letztendlich die Gesundheit und Lebensqualität von Patienten mit entzündlichen Erkrankungen, Krebs, Gerinnungsstörungen, Diabetes und einer Reihe genetischer Störungen verbessern könnte.
Ich habe versprochen, ein Beispiel für die Überschneidung zwischen synthetischer Biologie und KI zu nennen. Letztes Jahr schrieb ich darüber, wie „organoide Intelligenz“ ein neuer Ansatz für Bioinformatik und KI sei. Anfang dieses Jahres brachte das Schweizer Unternehmen FinalSpark seine Neuroplatform auf den Markt, die 16 menschliche Gehirnorganoide als Computerplattform verwendet, und behauptete, sie sei „der nächste Evolutionssprung für die KI“.
„Unser Hauptziel ist künstliche Intelligenz, die 100.000 Mal weniger Energie verbraucht“, sagt FinalSpark-Mitbegründer Fred Jordan.
Jetzt vermietet FinalSpark seine Biocomputer an KI-Forscher mehrerer Spitzenuniversitäten … für nur 500 Dollar im Monat. „Soweit ich weiß, sind wir die einzigen auf der Welt, die das tun“ auf einer öffentlich vermietbaren Plattform, sagte Dr. Jordan gegenüber Scientific American. Berichten zufolge haben rund 34 Universitäten um Zugang gebeten, aber FinalSpark hat die Nutzung bisher auf 9 Institutionen beschränkt, darunter die University of Michigan, die Freie Universität Berlin und die Lancaster University in Deutschland.
Scientific America berichtet über ähnliche Arbeiten am spanischen Nationalen Zentrum für Biotechnologie, bei denen zelluläres Computing zum Einsatz kommt, und an der University of the West of England, bei der – im Ernst! – Pilznetzwerke zum Einsatz kommen. „Pilz-Computing bietet gegenüber dem Brain-Organoid-basierten Computing mehrere Vorteile“, sagt Andrew Adamatzky, „insbesondere in Bezug auf ethische Einfachheit, einfache Kultivierung, Umweltverträglichkeit, Kosteneffizienz und Integration in bestehende Technologien.“
Biokunststoffe, Biofabriken, Bioinformatik – alles ziemlich coole Sachen. Ich gebe zu, ich weiß nicht, wohin das alles führt, aber ich kann es kaum erwarten, zu sehen, wohin es führt.
