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Synthetische Biologie könnte die Produktion von Grippeimpfstoffen beschleunigen
Die Synthetische Biologie haucht der altmodischen Welt der Impfstoffproduktion neues Leben ein und weckt die Hoffnung, dass Hersteller bei Ausbrüchen Impfstoffe viel schneller freigeben könnten.
An einer Treffen zur synthetischen Biologie Das Pharmaunternehmen Novartis, das am MIT stattfand, sagte, es habe hybride Grippegenome in einem Prozess synthetisiert, der die Zeit für die Herstellung von Impfstoffen um Wochen verkürzen könnte. Wenn ein neuer Grippestamm auftaucht, schicken Regierungsbehörden normalerweise Proben an Impfstoffhersteller, die große Mengen des Erregers in Hühnereiern als Ausgangsmaterial für Impfstoffe züchten, sagt Philip Dormitzer , Leiter der viralen Impfstoffforschung für Novartis. Dieser Prozess kann Monate dauern und den Höhepunkt eines Ausbruchs verpassen. Aber Novartis hat in Zusammenarbeit mit synthetischen Biologen einen Weg entwickelt, Virusgenome chemisch zu synthetisieren und in Gewebekulturzellen zu züchten. Das spart Zeit und kann wirksamere Impfstoffe hervorbringen.
Die Idee ist, ein synthetisches Virus auf der Grundlage von Sequenzdaten zu bauen, das viel schneller verbreitet werden kann als das tatsächliche Virusmaterial, das am Ort eines Ausbruchs geerntet wird. Das synthetische virale Genom kombiniert ein genomisches Rückgrat, das vielen Grippeviren gemeinsam ist, mit Genen, die für die bei einem neuen Ausbruch auftretenden Stämme spezifisch sind. Im Jahr 2011 testete das Team seine Methode als Reaktion auf einen Scheinausbruch eines Vogelgrippevirus (einer, der eng mit dem H7N9-Virus verwandt ist, das sich derzeit in China ausbreitet). Am Montag des gleichen Jahres um 8 Uhr morgens begann das Team, ein virales Genom basierend auf Sequenzdaten chemisch zu synthetisieren, sagt Dormitzer. Bis zum Mittag des folgenden Freitags hatte das Team bestätigt, dass lebende Viren in Zellkulturen wuchsen.
Bis vor kurzem konzentrierten sich die meisten Bemühungen in der synthetischen Biologie darauf, Bakterien zu manipulieren, um wünschenswerte Verbindungen wie Medikamente (siehe Mikroben können Malaria-Medikamente massenproduzieren) oder Kraftstoffe (siehe Bakterien machen Diesel aus Biomasse) herzustellen; sie haben weder Menschen noch andere Säugetiere involviert. Aber das ändert sich. Die synthetische Biologie von Säugetieren, bei der die genetischen Schaltkreise von Säugetieren modifiziert werden, steckt noch in den Kinderschuhen, sagt Jim Collins , ein synthetischer Biologe an der Boston University. Es gibt nur eine Handvoll Gruppen im Raum, und es ist sehr schwierig, dieses Engineering durchzuführen, sagt er.
In anderen Arbeiten, die auf dem Cambridge-Treffen beschrieben wurden, Pam Silver , ein synthetischer Biologe an der Harvard Medical School, stellte Methoden für zellbasiertes Computing vor, bei denen logische Gatter aus technisch hergestellten Proteinen gebaut werden können. Eine Anwendung dieser Werkzeuge ist ein genetischer Schaltkreis, der es Zellen ermöglicht, sich daran zu erinnern, ob sie einer Strahlung ausgesetzt waren, auch wenn die Strahlung verschwunden ist. Bisher haben sie und ihr Team einen solchen Schaltkreis in Hefezellen gebaut, aber sie sagt, die Technologie könnte auf menschliche Zellen übertragen werden. Das könnte in der Therapie und langfristig für die Raumfahrt eine sinnvolle Situation sein, aber auch um einfach über die Erfahrungen von Zellen im Körper zu berichten, sagt Silver.
Einige Bemühungen, die synthetische Biologie auf die Gesundheit anzuwenden, konzentrieren sich darauf, Stammzellen so zu programmieren, dass sie sich wie natürlich vorkommende Zellen verhalten, die aufgrund einer Krankheit verloren gegangen sind. Douglas Melton , ein Molekular- und Zellbiologe an der Harvard University, programmiert Stammzellen, um die bei Typ-1-Diabetes verlorenen glukosefühlenden und insulinproduzierenden Zellen zu ersetzen. Dieser Zustand entsteht normalerweise durch eine Autoimmunreaktion gegen die Betazellen der Bauchspeicheldrüse, die den Körper ohne Insulin verlässt.
Melton und sein Labor arbeiten an einer Technologie, bei der die Betazellen und andere Zellen, die an der Regulierung des Blutzuckers beteiligt sind, durch eingekapselte Sammlungen reifer Zellen aus Stammzellen ersetzt werden könnten. Die Herausforderung besteht darin, die endgültigen, differenzierten Zelltypen mithilfe von Hormonen oder anderen chemischen Signalen herzustellen, um den Entwicklungsprozess zu steuern. Was man verstehen will, ist, wie man der Zelle anweist, welche Gene sie ein- und ausschalten soll, sagt Melton.
Aber die natürlichen Prozesse der Zellentwicklung nachzubilden ist nicht einfach. Melton sagt, seine Gruppe sei in der Lage, Betazellen herzustellen, die Insulin produzieren, aber der Prozess sei nicht perfekt. Ungefähr die Hälfte der Zellen macht, was Sie wollen, sagt er. Wir wissen nicht, wie man den Zellen sagt, dass sie nur Betazellen sind. Und die kultivierten Betazellen haben nicht die fein abgestimmte Reaktion auf Glukose wie die Körperzellen: Betazellen müssen den Glukosespiegel spüren und dann die richtige Menge Insulin spritzen, sagt er. Unsere Zellen werden auf Glukose reagieren, jedoch nicht mit genauen Wahrnehmungsmechanismen. Sie geben normalerweise Insulin beim ersten [Anzeichen] von Glukose ab.
Andere Forscher hoffen, völlig neue Schaltkreise in Zellen einzubauen, um Diabetespatienten zu helfen. Martin Füssenegger , ein Bioingenieur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule, beschrieb ein molekulares System, bei dem Zellen mit Genen modifiziert sind, die niedrige pH-Werte im Blut erkennen können, ein Zeichen für einen diabetischen Zustand. Als Reaktion darauf, sagt er, werden die manipulierten Zellen Insulin produzieren, um den Blutzuckerspiegel besser zu regulieren und den diabetischen Zustand zu beruhigen.
Diese Art der Technik hängt normalerweise von Viren ab, um Gene zu modifizieren, damit Zellen nützliche Aufgaben erfüllen können. Doch diese Methode ist riskant: Die eingebrachte DNA könnte sich an einer ungünstigen Stelle in das Genom integrieren, was zu Krebs führen könnte. Harvey Lodish , ein Zellbiologe am MIT, arbeitet an einer Technologie, die dieses Problem vermeiden könnte: im Labor hergestellte rote Blutkörperchen. Nachdem diese Zellen modifiziert wurden, werden sie das Virus im Laufe ihres natürlichen Entwicklungsprozesses rauswerfen.
Das Schöne an roten Blutkörperchen ist, dass sie so ziemlich die einzige Zelle im Körper ohne Zellkern sind, sagt Lodish. Bis sie in Umlauf kommen, haben sie ihre DNA verloren und sind 120 Tage ohne Tumorrisiko stabil.
Bei der Methode von Lodish trägt ein Retrovirus ein neues Gen in das Genom von Vorläuferzellen, das schließlich rote Blutkörperchen produziert. Die Zelle verwendet dieses neue Gen, um eine modifizierte Version von Proteinen herzustellen, die auf der Oberfläche der reifen roten Blutkörperchen sitzen, selbst wenn die Zelle ihre DNA verloren hat. Das modifizierte Oberflächenprotein wurde so konstruiert, dass es leicht mit anderen Verbindungen verbunden werden kann – Antikörper, die giftige Substanzen aus dem Blut entfernen könnten, oder niedermolekulare Medikamente, um Krebs oder andere erkrankte Zellen anzugreifen. Lodish glaubt, dass die Technologie ein sichererer Ansatz ist, um die synthetische Biologie im menschlichen Körper einzusetzen.