Ohne Chemie geht es auch in der Biologie nicht

Gastbeitrag: Ohne Chemie geht es auch in der Biologie nicht
Ohne Chemie No biology
GEHT es auch in without
der Biologie nicht chemistry
37
Guest article: No biology without chemistry
5' End
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Adenine
NH2
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Cytosine
Guanine
Thymine
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DNA-Einzelstrangs. Die
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einzelnen Desoxynukleoside
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Günter Gassen 1
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H 2N
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NH 2
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ielsetzung der synthetischen Biologie ist die Herstellung neuartiger Organismen, die u. a. zur Produktion komplexer Naturstoffe und zur Energiegewinnung aus Abfällen eingesetzt werden sollen. Um diese
Ziele mit vertretbarem Aufwand zu erreichen, müssen chemische Methoden wie die DNA-Sequenzierung
und die DNA-Synthese stärker in molekularbiologische Verfahren integriert werden. Der Autor ersetzt
nachfolgend den aus seiner Sicht überheblichen Begriff „Synthetische Biologie“ durch die nüchterne
he aim of synthetic biology is to produce novel organBezeichnung „Konstruktive Genetik“.
isms that are intended among other purposes for proIn der molekularen Genetik spielt der Zufall im- ducing complex natural substances and for generating
mer noch eine wichtige Rolle – sowohl bei der Erzeu- energy from waste. Achieving these goals with reasongung von Mutanten als auch bei ihrer Selektion auf able effort calls for the stronger integration of chemidie gewünschten Eigenschaften hin. Zufälligkeit ist cal methods, such as DNA sequencing and DNA synthesis,
aber Gift in der Entwicklung und Produktion für den into molecular biology processes. In the following arMarkt bestimmter Wirtschaftsgüter. So kann hinter- ticle, the author replaces the term “synthetic biology”,
fragt werden, ob die chemische DNA-Synthese nicht which for him smacks of hubris, with the pragmatic term
eine notwendige Ergänzung zu einer wünschenswer- “constructive genetics”.
ten Biologisierung von Teilen der Industrieproduktion
Coincidence still plays an important role in molecular geist. Die chemische Synthese des 580 000 Nukleotid- netics, both in creating mutants and in selecting them for the
paare großen Genoms des Bakteriums Mycoplasma desired properties. But coincidence is anathema to the develgenitalium durch das Unternehmen von Craig Venter opment and production of economic goods that are designed
im Jahr 2008 mag als Beleg dafür dienen, dass solche for the market, and one may ask whether chemical DNA synÜberlegungen gerechtfertigt sind.
thesis might not be a necessary addition to the desirable exRay Wu, übrigens ein niemals gewürdigter Pio- pansion of bio-based processes in certain areas of industrial
nier vieler Klonier- und Sequenztechniken, gelang production. The chemical synthesis in 2008 of the genome
es 1970, nach zweijähriger Arbeit 14 Nukleotide vom of the Mycoplasma genitalium bacterium numbering 580,000
Ende einer Phagen-DNA zu entziffern. Heute würde pairs of nucleotides, by Craig Venter’s enterprise, would apdiese Aufgabe ein Automat in weniger als einer Se- pear to justify such considerations.
T
1
Institut für Biochemie der TU Darmstadt
BLICKWINKEL • KONSTRUKTION construction
by phosphodiester bridges.
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deoxy-nucleosides are linked
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DNA strand. The individual
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TEXT: Prof. Dr. Hans
verknüpft. · Chemical
composition of an individual
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terbrücken miteinander
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Desoxyribose
sind durch Phosphodies-
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Chemischer Aufbau eines
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Deoxyribose
backbone
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phosphate
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Phosphate
Nachdenkliches über die künftige Rolle der DNA-Synthese in der Konstruktiven Genetik • Thoughts on the future role of DNA synthesis in constructive genetics
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3' End
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NH2
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kunde erledigen. Mit Wus Pioniertat war das Rennen um die beste Methode zur Sequenzierung biologisch
bedeutsamer DNA eröffnet. Die Sieger schienen 1977 Allan Maxam und Walter Gilbert mit ihren chemischen Methoden zu sein, die erlaubten, radioaktiv markierte DNA zu fragmentieren und die Bruchstücke
mittels einer Gelelektrophorese ihrer Länge nach zu trennen. Diese Methode erlaubte das „Lesen“ von
ca. 20 Nukleotiden pro Versuchsansatz. Allerdings
Ray Wu, the unacclaimed pioneer of many cloning wurde sie durch eine geniale Idee von Frederick
and sequencing techniques, managed to decode 14 nucleo- Sanger schnell wieder verdrängt. Er entwickelte seit
tides at the end of a phage DNA strand in 1970, after two 1975 in aller Stille die sog. Kettenabbruchmethode,
years’ work. Today, a sequencing machine could do this in das grundlegende aller noch heutigen Verfahren
less than a second. Wu’s pioneering achievement began the in der DNA-Sequenzierung. Es entspricht Sangers
race to find the best method for sequencing biologically Mentalität, dass er nicht die Methode publizierte,
important DNA. The apparent winners were Allan Maxam sondern mit der 1977 erfolgten Veröffentlichung
and Walter Gilbert, who in 1977 devised chemical methods der 5 386 Nukleotide umfassenden Sequenz des
that enabled them to fragment radioactively marked DNA Bakteriophagens chiX174 den Beweis antrat, dass
and to split these fragments lengthwise using gel electro- die Kettenabbruchmethode auch funktioniert. Aus
phoresis. This method made it possible to “read” about 20 der Nukleotidfolge der DNA konnte problemlos
nucleotides per test batch. But it was quickly ousted by Fred- die Aminosäuresequenz der zehn viralen Proteine
erick Sanger’s ingenious idea. Starting in 1975, he quietly abgelesen werden. Nach dem ersten Nobelpreis für
developed the so-called chain termination method, the ba- die Sequenzierung des Insulins erhielt er 1980 seisis for all modern DNA sequencing processes. Characteristi- nen zweiten Chemie-Nobelpreis für sein geniales
cally, instead of publicising the method, Sanger proved in Konzept der DNA-Sequenzierung. 1983 zog sich
his 1977 publication of the 5,386-nucleotide sequence of Sanger mit seiner Pensionierung aus der Forschung
bacteriophage chiX174 that the chain interruption method zurück.
Basierend auf Sangers Idee wurde in den nächsactually worked. The amino acid sequence of the ten viral
proteins could be read from the DNA nucleotide sequence ten 40 Jahren durch methodische Verbesserungen
without any problem. After receiving the first Nobel Prize die DNA-Sequenzierung automatisiert und damit
Gastbeitrag: Ohne Chemie geht es auch in der Biologie nicht
thode und Enzymen ca. 100 Nukleotide lange Polynukleotide herzustellen. Mit diesen arbeitsintensiven
Methoden konnten 1977 auch die ersten „Gene“ für das Bauchspeicheldrüsenhormon Somatostatin und
die A- und B-Kette des Insulins synthetisiert und einige Jahre später in dem Darmbakterium E. coli auch exprimiert, also biotechnologisch hergestellt werden.
methods. However, the scientists involved in DNA synthesis Ein Meilenstein in der Historie der DNA-Chemie
made a crucial error by employing the processes that were war dann 1981 die Totalsynthese des Gens für das
established in RNA chemistry, the so-called phosphodiester Leukozyten-Interferon (INF-α) mit 514 Basenpaaand triester processes. Since these reagents did not dissolve ren durch die Arbeitsgruppe von Michael Edge. So
well in organic solvents and provided abysmal yields, these waren die ersten chemischen „Gensynthesen“ zwar
traditional processes only enabled the synthesis of oligom- mit Bezug auf das Teamwork Pioniertaten, aber
ers with about eight nucleotides. But even these oligonu- nicht weiterführend, da sich die Verfahren nicht zur
cleotides could be used to produce polynucleotides of about Kommerzialisierung eigneten.
Group II Introns
(Karberg, 2001)
ssDNA recombineering
(Ellis, 2001)
Synthetic HCV
(Blight, 2000)
Chemical mutagenesis
Sanger sequencing
(Auerbach, 1947)
(Sanger, 1977)
1930
1940
1950
1960
1970
1990
Reduced B. subtilis genome
(Ara, 2007)
Synthetic M. mycoides cell
(Kim, 1996)
1980
(Pósfai, 2006)
(Wang, 2009)
ZF-nuclease
(Jackson, 1972)
Reduced E. coli genome
MAGE
(Zhang, 1998)
Recombinant DNA
UV mutagenesis
(Altenburg, 1928)
1920
dsDNA recombineering
(Gibson, 2010)
2000
2010
100 nucleotides in length, by means of overlap methods and
enzymes.
(Kleckner, 1975)
Transgenic mice
TALE nuclease
(Gordon, 1980)
Synthetic yeast chromosome
(Dymond, 2011)
Historischer Zeitstrahl mit
herausragenden Fortschritten
auf dem Weg zum Engineering ganzer Genome. ∙ A historical timeline of
selected advances leading to
genome-scale engineering.
In 1977, these labour-intensive methods made it possi-
(Hockemeyer, 2011)
Synthetic Poliovirus
(Cello, 2002)
Synthetic ɸ X174 phage
(Smith, 2003)
Tn-seq
(van Opijnen, 2009)
E. coli KO library
(Baba, 2006)
Refactored T7 phage
(Chan, 2005)
2nd-gen sequencing
(Margulies, 2005, Shendure, 2005)
Quelle: Molecular Systems Biology 9: 641
Transposons
ble to synthesise the first “genes” for the pancreatic hormone
somatostatin and the insulin A and B chains. A few years later,
these genes were also expressed in the intestinal bacterium
E. coli, i. e. produced by biotechnological processes. The total
synthesis of the gene for the leukocyte interferon (INF-α) with
514 base pairs by the working group headed by Michael Edge
in 1981 was a milestone in the history of DNA chemistry. The
first chemical “gene syntheses” were therefore pioneering in
terms of teamwork, but led nowhere because the processes
were not suitable for commercialisation.
The chemistry using trivalent phosphorus developed by
Paul Letsinger and later perfected by Marvin H. Carothers en-
entscheidend beschleunigt und verbilligt. Höhepunkt der Historie der DNA-Sequenzierung war natürlich die
2008 publizierte Sequenz des Humangenoms mit 3,26 Milliarden Nukleotiden durch das von Craig Venter
gegründete Unternehmen Celera. Heute kann ein humanes Genom in acht Tagen mit Kosten von ca. 10 000
Euro entziffert werden. Die Vision von Venter, das
Entschlüsseln eines humanen Genoms für 1000 Euro, for sequencing insulin, he was awarded his second Nobel
ist in greifbarer Nähe. Die Kenntnis des persönlichen Prize in Chemistry in 1980 for his ingenious DNA sequencing
Genoms eröffnet noch nicht zu erahnende Chancen concept. Sanger withdrew from research when he entered
für die individualisierte Medizin. Allerdings muss retirement in 1983.
man einräumen, dass das Wissen um die biologischen
Based on Sanger’s idea, methodological improvements
Funktionen noch sehr lückenhaft ist. 70 % des Ge- over the next 40 years helped to automate DNA sequencing,
noms sind auch heute noch „terra incognita“.
making it much faster and cheaper. The high point in the
Mit der Möglichkeit, die in der DNA enthaltene history of DNA sequencing came of course in 2008, when
genetische Information zu entziffern, entstand na- Celera, the enterprise founded by Craig Venter, published
türlich sofort der Wunsch, DNA-Segmente definier- the sequence of the human genome with its 3.26 billion nuter Sequenz chemisch-synthetisch zu produzieren. cleotides. Today, a human genome can be decoded in eight
Allerdings machten die DNA-Synthetiker einen ent- days at a cost of around EUR 10,000. Venter’s vision of descheidenden Fehler, indem sie nämlich auf die in der coding a human genome for EUR 1,000 is now within reach.
RNA-Chemie etablierten Verfahren – das sog. Phos- Knowledge of a person’s genome opens up inconceivable
phodiester- und das Triesterverfahren – zurückgrif- opportunities for individualised medicine, though it must
fen. Da die Reagenzien sich schlecht in organischen be conceded that our knowledge of the related biological
Solventien lösten und die Ausbeuten miserabel wa- functions remains very piecemeal. Even today, 70 % of the
ren, ermöglichten die traditionellen Verfahren nur genome is terra incognita.
die Synthese von etwa acht Nukleotiden langen
Once it was possible to decode the genetic informaOligomeren. Allerdings ließen sich diese Oligonuk- tion within the DNA, the wish naturally arose to produce
leotide schon nutzen, um mit der Überlappungsme- DNA segments of a defined sequence by chemical / synthetic
BLICKWINKEL • KONSTRUKTION construction
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Guest article: No biology without chemistry
abled the use of highly reactive compounds that were soluble
in organic solvents, so that a component could be added to
a DNA chain with high yield in a matter of seconds. The reagents used then, as today, were the beta-cyanoethylamidites
of nucleophosphites. The second improvement that made
this work easier was resorting to synthesis on solid substrates.
Robert Bruce Merrifield introduced this method in 1963 to
synthesise proteins from activated amino acids. Using the solid-phase method, reagents can be used in such excess that a
100 % reaction is obtained. The excess reagents can be washed
out of the substrate-bound reaction product. The next synthesis cycle can be commenced immediately.
Biotechnologists at least were well aware that manual
syntheses would not be enough to cover the rapidly growing
requirements of molecular biology for oligonucleotides as
primers and linkers. Straight after the introduction of phosphoramidite chemistry, work began to develop the first DNA
replication machines. The precursor of all machines for synthesising biological polymers was the “peptide synthesizer”
with which Merrifield and Gutte synthesised the enzyme ribonuclease in 1970, with 124 amino acids on a polymer substrate. The first DNA synthesisers were simple hand-operated
appliances consisting in principle of storage tanks, argon as
the fuel and shielding gas, a multi-channel valve and a reaction vessel in which chain propagation could be performed
Die von Paul Letsinger entwickelte und später
von Marvin H. Carothers perfektionierte Chemie
mit dreiwertigem Phosphor erlaubte den Einsatz
hoch reaktiver, in organischen Solventien lösbarer
Verbindungen, die es ermöglichten, einen Baustein
in Sekunden in hoher Ausbeute an eine DNA-Kette
anzufügen. Als Reagenzien verwendete man damals wie heute die ß-Cyanoethylamidite der Nukleophosphite. Die zweite Verbesserung im Hinblick
auf die Vereinfachung der Synthesen war ein Rückgriff auf die Synthese am festen Träger, die von
Robert Bruce Merrifield 1963 in die Proteinsynthese aus aktivierten Aminosäuren eingeführt wurde.
Durch den Einsatz der Festphasenmethode kann
man die Reagenzien in einem so hohen Überschuss
einsetzen, dass die Reaktion zu 100 % erfolgt. Ein
Zuviel an Reagenzien lässt sich durch Auswaschen
des am Träger gebundenen Reaktionsprodukts entfernen. Danach kann man sofort mit dem nächsten
Synthesezyklus beginnen.
Zumindest den Biotechnologen war klar, dass
man den rapide wachsenden Bedarf der Molekularbiologie an Oligonukleotiden als Primer und
Linker nicht durch manuelle Synthesen decken
konnte. So begann man sofort nach der Einführung der Amiditchemie mit der Entwicklung der
DNA-Syntheseautomaten. Der Vorläufer aller Automaten für die Synthese biologischer Polymere war
der „Peptidsynthesizer“, mit dem Merrifield und
Gutte 1970 das Enzym Ribonuklease mit 124 Aminosäuren an einem polymeren Träger synthetisierten. Die Entwicklung der DNA-Automaten begann
mit einfachen Handgeräten, die im Prinzip aus Vorratsgefäßen, Argon als Treib- und Schutzgas, einem
Multikanalventil sowie aus einem Reaktionsgefäß
bestanden, in dem man die Kettenverlängerung mit
Argon als Schutzgas durchführen konnte. Bei den
Prototypen der Vollautomaten gab es allerdings ein
mechanisches Problem, nämlich das Totvolumen in
den Pumpen oder Ventilen, die zum Transport der
Gastbeitrag: Ohne Chemie geht es auch in der Biologie nicht
Primer
Das Prinzip der DNA-Sequenzierung nach der
3'
Didesoxy-Methode Die Didesoxymethode nach
5'
3'
5'
Template strand
Sanger wird auch Kettenabbruch-Synthese genannt. Sie
Polymerase + dNTPs
stellt eine enzymatische Methode dar. Sie wurde von
Sanger und Coulson um 1975 entwickelt und bereits
+ddATPs
1977 mit der ersten vollständigen Sequenzierung eines
Genoms vorgestellt. Sanger erhielt für seine Arbeiten
zur DNA-Sequenzierung zusammen mit Walter Gilbert
+ddTTPs
+ddCTPs
5'
CTA
5'
CT
5'
C
5'
CTAA
5'
CTAAGCT
5'
CTAAGC
+ddGTPs
5'
CTAAG
virus-DNA mit etwa 7500 Nukleotidpaaren im Jahre 2002 in der Arbeitsgruppe um Eckard Wimmer kann
als erster Erfolg dieser neuen Arbeitsrichtung gewertet werden, da sich die synthetische DNA in einer Zelle
replizierte und als Folge infektiöse Viren entstanden.
In der Zukunft geht es um die Darstellung
had to redirect their research activities. They therefore zweckoptimierter Genome mithilfe einer Kombi­
turned their attention to “synthetic biology”. (The author nation aus synthetischer Chemie, Enzymologie und
considers this term a misnomer and will go on to replace it Molekulargenetik. Ob man Genome dabei aus
with “constructive genetics” in this article). The synthesis of
und Paul Berg 1980 den Nobelpreis für Chemie.
a poliovirus DNA with about 7,500 nucleotide pairs in 2002
The principle of DNA sequencing according to
by the working group led by Eckard Wimmer can be seen as
the first success in this new direction, because the synthetic
Long fragments
is an enzymatic method that was developed by Sanger
and Coulson around 1975, and presented as early as
1977 together with the first complete sequencing of
a genome. Sanger received the Nobel Prize in Chemis­
try in 1980, together with Walter Gilbert and Paul
Berg, for his work on DNA sequencing.
Short fragments
A
T
C
G
3'
T
C
G
A
A
T
C
5'
DNA replicated in a cell and was produced as a result of inDirection of sequencing
method is also termed chain termination synthesis. It
Direction of electrophoresis
the dideoxy method The dideoxy or Sanger
fectious viruses.
In future, the aim will be to produce genomes that
are optimised for specific purposes using a combination of
Whether the genomes are isolated from natural materials or
Frederick Sanger
synthesised de novo will depend on the strategy, the likelihood of success and the costs. Improved modifiers can be
rarely used codons can be avoided, or sequences that con-
BLICKWINKEL • KONSTRUKTION construction
“Of the three main activities involved in
scientific research, thinking, talking, and
doing, I much prefer the last and am probably best at it. I am all right at the thinking,
but not much good at the talking.”
synthetic chemistry, enzymology and molecular genetics.
introduced in gene clusters derived from natural material;
Reagenzien vom Vorratsgefäß in den Reaktor eingesetzt wurden. Verblieben auch nur 5 % eines Reagenz
in der Zuführung zum Verteilerventil und vermischten sich mit dem Phosphoamidit des nachfolgenden
Zyklus, wurde die Synthese von Oligomeren definierter Sequenz fehlerhaft. Abhilfe schaffte ein von Brigitte Wittmann-Wiebold am Max-Planck-Institut
für Molekulare Medizin in Berlin entwickeltes Tot- using argon as the shielding gas. The prototypes of the fully
volumen-freies Dosiersystem, das bis heute in allen automatic machines posed a mechanical problem: the dead
Synthese- und Sequenzierautomaten genutzt wird. volume in the pumps or valves that conveyed the reagents
Ohne dieses System hätte es zumindest von 1985 an from the storage vessel to the reactor. If as little as 5 % of
keine funktionsfähigen Automaten gegeben, wie the reagent remained in the distribution valve inlet and besie mit großem Erfolg später von dem Unternehmen came mixed with the phosphoramidite of the following cyApplied Biosystems als „370A DNA Synthesizer“ ver- cle, the synthesis of oligomers with a defined sequence was
trieben wurden. Zurzeit kostet ein sog. 20mer ge- deficient. The solution was a dosing system developed by
wünschter Sequenz ca. 5 € und wird in 24 Stunden Brigitte Wittmann-Wiebold at the Max Planck Institute for
per Post geliefert – unvorstellbar, wenn man daran Molecular Genetics in Berlin, which contained no dead voldenkt, welche „Schufterei“ die Synthese eines Okta- ume and is still used today in all synthesising and sequencmers vor rund 30 Jahren war.
ing machines. Without this system, there would have been
Neuerdings haben Parallelanalysen auf Mikro- no functioning machines at least from 1985 onwards, like
chips Furore gemacht. Circa 4000 Oligonukleotide the one that was subsequently marketed with great success
können auf den mit Licht programmierten Chips as the “370A DNA Synthesizer” by Applied Biosystems. At
gleichzeitig synthetisiert werden. Glaubt man den present, a so-called 20-mer sequence costs about EUR 5 and
kommerziellen Herstellern solcher Chips, etwa dem can be delivered by post within 24 hours. This is hard to beUnternehmen „NimbleGen“, so können 25 000 Oli- lieve when one remembers the amount of work involved in
gonukleotide simultan auf einem Chip synthetisiert synthesising an octamer 30 years ago.
werden. Allerdings lassen sich mit diesen Methoden
Parallel analyses on microchips have recently caused a
nur geringe Produktmengen herstellen.
sensation. Around 4,000 oligonucleotides can be simultaneDa man Polynukleotide mit einer Kettenlän- ously synthesised on the photo-programmable chips. If the
ge von 200 mittlerweile kaufen kann, mussten sich commercial manufacturers of such chips (which include Nimdie Forschungsaktivitäten der DNA-Synthetiker neu bleGen) are to be believed, 25,000 oligonucleotides can be siausrichten. Sie engagierten sich fortan in der „Syn- multaneously synthesised on one chip. However, these meththetischen Biologie“. (Der Autor hält diesen Begriff ods are only suitable for producing small product quantities.
für missdeutig und ersetzt ihn im Weiteren durch
Since polynucleotides with a chain length of 200 can
„Konstruktive Genetik“.) Die Synthese einer Polio­ now be bought, scientists working on DNA synthesis have
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Guest article: No biology without chemistry
tain no information can be removed. In 2004, this reorientation of constructive genetics enabled the synthesis of a gene
cluster with 32,000 base pairs for the multi-enzyme system
polyketide synthase, which can be used to produce the antibiotic 6-deoxyerythronolide in E. coli. Many similar projects
are currently underway, especially in the USA. Anthony Simsky from Boston’s MIT, for instance, is working with the bacterium Rhodococcus opacus, which was isolated from oilcontaminated soil. It is able to convert large quantities of
many toxic compounds. After removing those parts of the
native genome that are not essential for metabolism, a synthetic gene cluster is to be introduced into the minimal genome, which specialises in producing fuels from toxic waste.
Craig Venter is the one who is banging the drum to
establish DNA chemistry in molecular genetics, after succeeding in 2008 in synthesising the entire genome of the
Mycoplasma genitalium bacterium, measuring 580,000
base pairs. But the next step of obtaining replicable bacte-
natürlichem Material isoliert oder de novo synthetisiert, wird anhand der Strategie, der Erfolgswahrscheinlichkeit sowie der Kosten entschieden. So
kann man in vom natürlichen Material abgeleiteten
Genclustern verbesserte Regler einführen, selten
genutzte Codons vermeiden oder informationsleere Sequenzen entfernen. Mit dieser Neuausrichtung
der Konstruktiven Genetik gelang 2004 die Synthese eines 32 000 Basenpaare langen Genclusters für
das Multienzymsystem Polyketid-Synthase, mit dem
man in E. coli das Antibiotikum 6-Desoxyerythronolid herstellen kann. Viele ähnliche Projekte werden
zurzeit vor allem in den USA bearbeitet. Anthony
Simsky vom MIT in Boston befasst sich z. B. mit dem
Bakterium Rhodococcus opacus, das aus ölverseuchten Böden isoliert wurde. Es kann viele toxische Verbindungen in großen Mengen umsetzen. Nach dem
Entfernen für den Stoffwechsel nicht essenzieller
Teile des nativen Genoms soll ein synthetisches Gencluster in das Minimalgenom eingesetzt werden,
das auf die Aufgabe spezialisiert ist, aus toxischem
Abfall Treibstoffe zu produzieren.
ria with a synthetic Mycoplasma genitalium genome that
Der „Trommler“ für die Etablierung der DNAtime until this project succeeds, though. Such work points Chemie in der Molekulargenetik ist aber Craig Vento a future division of labour in constructive genetics. The ter, dem es 2008 gelang, das 580 000 Basenpaare
job of synthetic DNA chemistry will be to produce custom- große Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalibuilt genomes, while biologists will remain responsible for um komplett synthetisch herzustellen. Der nächste
the incredibly complex task of adapting host organisms to Schritt allerdings, replikationsfähige Bakterien mit
synthetic genomes. Obviously, the unique structure of DNA einem synthetischen 580 kbp langen Mycoplasmaitself explains why biologists will need support from neigh- genitalium-Genom zu erhalten, schlug zunächst
bouring disciplines such as chemistry, microelectronics and fehl. Dass dieses Vorhaben gelingen wird, ist nur
eine Frage der Zeit. Solche Arbeiten deuten eine
information technology.
The theoretical and methodological advances made in künftige Aufgabenteilung in der Konstruktiven Gemolecular genetics, from the DNA double helix to the chemi- netik an. Die Produktion zweckoptimierter Genome
was 580 kbp in length initially failed. It is only a question of
Frederick Sanger erhielt 1958
den Nobelpreis für Chemie
für die Sequenzierung des Hormons Insulin. 1980 erhielt
er einen weiteren Nobelpreis
für die Sequenzierung eines
Virengenoms. ∙ Frederick
Sanger received the Nobel
Prize in Chemistry in 1958 for
sequencing the hormone insulin. In 1980, he received a
second Nobel Prize for sequencing a viral genome.
Gastbeitrag: Ohne Chemie geht es auch in der Biologie nicht
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wird Aufgabe der synthetischen DNA-Chemie sein, während das ungemein komplexe Gebiet der Anpassung der Wirtsorganismen an synthetische Genome bei den Biologen verbleiben wird. Es ist evident, dass
es die einzigartige Struktur der DNA selbst ist, die eine Unterstützung der Biologie durch angrenzende
Disziplinen wie die Chemie, die Mikroelektronik und die Informatik einfordert.
Die theoretischen und methodischen Fortschritte in der molekularen Genetik, von der DNA- cal synthesis of a bacterial genome, command our respect.
Doppelspirale bis zur chemischen Synthese eines But we still lack the fundamental knowledge of the bioBakteriengenoms, muss man bewundern. Für die chemistry of proteins that is required to establish “synthetic
Etablierung einer „Synthetischen Biologie“, die biology” in a form that would deserve this high-flown name.
den hochtrabenden Namen auch verdient, fehlt es Even with the primary sequence derived from DNA, we can
aber an Grundlagenwissen über die Biochemie der only make assumptions about the tertiary structure. StateProteine. Selbst mit der aus der DNA abgeleiteten ments on possible functions remain impossible at present,
Primärsequenz kann man nur Vermutungen zur and all attempts to design an enzyme with the desired cataTertiärstruktur anstellen und Aussagen zu mögli­ lytic function by computer have also proved fruitless. Even
chen Funktionen sind zurzeit noch unmöglich. So the “design” of hydrolases, simple enzymes that are only casind bisher auch alle Versuche fehlgeschlagen, per pable of activating water for the selective splitting of chemiComputer ein Enzym mit einer gewünschten kataly- cal bonds, has so far failed miserably. But without moving
tischen Funktion zu konzipieren. Selbst das „Design“ from the constructed gene to a synthetic protein with the
von Hydrolasen, einfachen Enzymen, die nichts an- desired function, constructive genetics will remain stuck half
deres können als Wasser zur selektiven Spaltung way. Proteins with a variety of functions can only be reconchemischer Bindungen zu aktivieren, scheiterten structed, but not designed. The path from slavish copy to
bisher kläglich. Aber ohne vom konstruierten Gen novel design looks to be long and stony.
zu einem synthetischen Protein gewünschter Funktion zu kommen, verharrt die Konstruktive GeneTo wind up, the author would like to comment
tik auf halber Strecke. Proteine unterschiedlichster briefly on the subject of creative science and public
Funktion lassen sich eben nur nachbauen, aber nicht opinion. Genetic engineering, a term the general pubentwerfen. Der Weg vom Abkupfern zum Entwer- lic has come to equate with the intrusion of technology
fen ist wohl noch lang und steinig.
into life itself, has done biotechnology a grave disser-
Personalie:
Prof. Dr. Hans Günter Gassen
Prof. (emeritus) Dr. rer. nat. Hans Günter Gassen war von 1973 bis 2004 Geschäftsführender
Direktor des Instituts für Biochemie an der TU Darmstadt. Er studierte Chemie in Marburg
und promovierte anschließend im Fach Biochemie. Nach einem Forschungsaufenthalt im Bereich Protein-Biosynthese am Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen
und seiner Habilitation an der Universität Münster wechselte er 1973 an die TU Darmstadt. Er
interessierte sich in seiner Forschung von Anfang an für die Synergien in der Biologie und der
Chemie in anwendungsorientierten F & E-Projekten. Bereits in seiner Antrittsvorlesung an der
Universität Münster im Oktober 1972 beschäftigte er sich mit dem damals bahnbrechenden
Thema „Chemische Synthese eines Gens“. Prof. Dr. Gassen gilt nicht zuletzt deshalb als einer
der Pioniere der Molekularbiologie, „Synthetischen Biologie“ und Biotechnologie.
Bereits 1985 gründete Prof. Dr. Gassen an der TU Darmstadt den Forschungsverbund „Angewandte Gentechnik“ mit den renommierten Mitgliedern Röhm AG, Merck AG und Grünenthal AG. Dieser Forschungsverbund gilt als die Keimzelle der heute unter dem Namen
Weiße oder Industrielle Biotechnologie geführten Disziplin. Er war Mitgründer verschiedener
Biotechnologieunternehmen, als erstes 1993 die BRAIN. 1998 bis 2005 war er Beauftragter
für Biotechnologie der Hessischen Technologiestiftung im Hessischen Wirtschaftsministerium.
Er ist Autor von ca. 300 wissenschaftlichen Fachartikeln und 10 Sachbüchern. Über viele Jahre war er Editor der Fachzeitschrift Biotechnology Journals. Er engagiert sich ehrenamtlich in
vielen Kommissionen und Beiräten, darunter die Senatskommission der DFG sowie der Beirat
der Forschungsanstalt Karlsruhe.
vice. Now the visionary Craig Venter speaks of build-
Abschließend sei dem Autor ein kurzer Kommentar zum Thema „Kreative Wissenschaft und öffentliche Meinung“ erlaubt: Der Biotechnologie hat
der Begriff Gentechnik, den die Öffentlichkeit als
Technisierung des Lebens verstanden hat, sehr geschadet. Nun spricht der Visionär Craig Venter von
der Konstruktion von Leben mithilfe der Sythetischen Biologie und Eckart Wimmer hat mit der Synthese von Polioviren mit geänderter Pathogenität
dem Ansehen seiner neuen Wahldisziplin erheblich
geschadet. Beide haben „nolens volens“ dazu beigetragen, dass die Synthetische Biologie nun als die
wissenschaftliche Disziplin gilt, die den Bestand der
Menschheit am stärksten gefährden kann. „Konstruktive Genetik“ klingt bescheidener und beschreibt
besser die Tatbestände. Die Biologie ist eine wunderbare Wissenschaft und umfasst alle Bereiche des
Lebendigen. Von „Synthetischer Biologie“ zu reden,
nur weil man ein Bakterium mit chemisch produzierter DNA neu programmieren kann, könnte sowohl
die Kritiker munitionieren als auch den Fachkundigen ein spöttisches Lächeln abnötigen.
ing life using synthetic biology, and Eckart Wimmer
About the person:
has seriously damaged the image of his new discipline
Prof. Dr Hans Günter Gassen
of choice by synthesising polio viruses with modified
Prof. (emeritus) Dr rer. nat. Hans Günter Gassen was Managing Director of the Institute of Bio-
pathogenicity. Both have unwittingly contributed to
chemistry at TU Darmstadt from 1973 to 2004. He studied chemistry in Marburg, where he ob-
the idea that synthetic biology is the scientific disci-
tained his doctorate in biochemistry. After a research residency in the field of protein biosynthesis
pline that may pose the greatest threat to human exist-
at the Max Planck Institute for Experimental Medicine in Göttingen and receiving his postdoctoral
ence. “Constructive genetics” sounds more modest and
lecturing qualification at the University of Münster, he switched to TU Darmstadt in 1973. Right
more accurately describes where we stand. Biology is
from the start, his research focused on the synergies that exist in biology and chemistry in ap-
a wonderful science that encompasses all areas of life.
plication-oriented R & D projects. In his inaugural lecture at the University of Münster in October
To speak of “synthetic biology” only because a bacteri-
1972, he addressed the then pathbreaking theme of “The chemical synthesis of a gene”. This
um can be reprogrammed by means of chemically pro-
is one of the reasons why Prof. Gassen is considered a pioneer in molecular biology, “synthetic
duced DNA may well fuel the fires of critics and attract
Vereinfachte Darstellung der chemischen DNA-Synthese unter
biology” and biotechnology.
derision from experts in the field.
Nutzung der Nukleosid-­P hosphoramidite als Substrate. An-
In 1985, Prof. Gassen set up the “Applied Genetic Engineering” research association at TU
BLICKWINKEL • KONSTRUKTION construction
bringen und Entfernen der unterschiedlichen Schutz­gruppen
Darmstadt with the prestigious members Röhm AG, Merck AG and Grünenthal AG. This re-
sind nicht dargestellt. Dieses Verfahren wird noch heute in
search association is considered the cradle of what is now known as white or industrial bio-
allen Syntheseautomaten benutzt. (Carothers, M. H. (1982) in:
technology. Prof. Gassen was a co-founder of various biotechnology companies, the first one
Enzymatic and Chemical Synthesis of Gene Fragments.) · beeing BRAIN in 1993. From 1998 to 2005, he was biotechnology representative of the Hessian
Simplified representation of chemical DNA synthesis using nucleo-
Foundation for Technology at the Hessian Ministry of Economics. He is the author of some
side phosphoramidites as a substrate. The introduction and re-
300 scientific articles and 10 textbooks, and served for many years as editor of Biotechnology
moval of the various protecting groups is not shown. This process
Journals. In an honorary capacity, he is involved in several commissions and advisory boards,
is still used today in all synthesisers. (Carothers, M. H. (1982) in:
including the senate commission of the DFG (German Research Foundation). He also acts as an
Enzymatic and Chemical Synthesis of Gene Fragments.)
advisor to Forschungsanstalt Karlsruhe.