Enthüllung der Evolution des „künstlichen Lebens“: Folgen sowohl die genetische Kodierung als auch die Elektrotechnik dem Mooreschen Gesetz?

Computerprogrammierung und Gensynthese scheinen wenig gemeinsam zu haben. Doch Andrew Steckl, Professor an der Universität von Cincinnati, ist aufgrund des technologischen Sprungs optimistisch, dass eine Gensynthese und die Schaffung von Leben im großen Maßstab möglich seien.

Steckl und sein Student Joseph Riolo nutzten die Geschichte der Computerchip-Entwicklung und großer Computersoftwareplattformen als Vorhersagemodelle, um die Zukunft eines anderen komplexen Systems zu verstehen: der synthetischen Biologie.

„Keine Analogie ist perfekt und DNA erfüllt einige Definitionen von digitalem Code nicht, aber es gibt dennoch viele Ähnlichkeiten zwischen Genomen und Softwarecode“, sagte Riolo.

Die Forscher sagen auch, dass Entwicklungen bei Computerchips die Zukunft der synthetischen Biologie beeinflussen könnten. Verglichen mit der Entwicklung von Computerchips wird die Schaffung synthetischen Lebens bald in greifbare Nähe rücken.

Die entsprechende Forschungsanalyse wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

Der nächste epochale menschliche Fortschritt

Die synthetische Biologie wurde erstmals 1980 von Hobom B. zur Beschreibung der Genrekombinationstechnologie vorgeschlagen. Mit der Entwicklung der molekularen Systembiologie wurde sie von E. Kool auf der Jahrestagung der American Chemical Society im Jahr 2000 erneut vorgeschlagen. Im Jahr 2003 wurde sie international definiert als die Untersuchung künstlicher biologischer Systeme auf der Grundlage von Gentechnik und systembiologischen Ingenieurmethoden, von Genfragmenten, DNA-Molekülen, Genregulationsnetzwerken und Signalübertragungswegen bis hin zum künstlichen Design und der Synthese von Zellen.

(Quelle: Pixabay)

Ähnlich wie bei modernen integrierten Bauprojekten werden ingenieurwissenschaftliche Prinzipien und Methoden auch auf biotechnologische Bereiche wie Gentechnik und Zelltechnik angewendet. Synthetische Biologie, Computerbiologie und chemische Biologie bilden zusammen die methodische Grundlage der Systembiotechnologie.

Laut einschlägiger Forschung hat die synthetische Biologie das Potenzial, „nach der Mikroelektronik und dem Internet der nächste revolutionäre technologische Fortschritt für die Menschheit“ zu werden. Die Anwendungsmöglichkeiten werden endlos sein, von der Herstellung neuer Biokraftstoffe über die Entwicklung neuer medizinischer Therapien bis hin zur Synthese neuen Lebens.

Im Jahr 2010 transplantierten Wissenschaftler das künstliche Genom von Mycoplasma mycoides in eine andere Bakterienzelle und schufen so den ersten vom Menschen geschaffenen synthetischen Organismus. Die Entwicklung dieses relativ einfachen künstlichen Genoms dauerte 15 Jahre und kostete mehr als 40 Millionen Dollar.

Abbildung | Vergleich von genetischer Kodierung und digitaler Sprache

(Quelle: Nature)

In dieser neuesten Studie konzentrierten sich die Forscher auf den Vergleich der Ähnlichkeiten zwischen biologischen Genomen und digital kodierten Sprachen hinsichtlich Buchstaben, Wörtern und Sätzen. Die Studie unterstreicht jedoch auch, dass der DNA-Code – die Kombination aus Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin, aus der das Genom besteht – nur einen Teil der komplexen Geschichte der Gene erzählt und Aspekte wie die Epigenetik außer Acht lässt.

„Können wir die Komplexität der Programmierung eines Kampfjets oder eines Mars-Rover-Systems mit der Komplexität der Erstellung eines Bakteriengenoms vergleichen?“ fragte Steckl. Sind sie genauso komplex oder viel komplexer? Wenn biologische Organismen viel komplexer sind, dann handelt es sich um die komplexeste ‚Programmierung‘, die jemals geschaffen wurde. Sie wäre so komplex, dass es für den Menschen schwierig wäre, den natürlichen Prozess zu replizieren. Oder vielleicht ist der genetische Code biologischer Organismen genauso komplex wie der Code eines F-35-Kampfjets oder eines Luxusautos.

Abbildung | Vergleich der Komplexität des menschlichen Genoms und mehrerer wichtiger technischer Systeme

(Quelle: Nature)

Doch die Forscher orientierten sich an den Gesetzen der Computerchip-Entwicklung und fanden heraus, dass sich Geschwindigkeit und Kosten der Herstellung synthetischen Lebens im Laufe der Zeit möglicherweise ähnlich entwickeln wie Leistung und Kosten der Elektronik.

Die Offenbarung des Mooreschen Gesetzes

Das Mooresche Gesetz ist ein Vorhersagemodell für die Entwicklung von Computerchips. Benannt nach dem Intel-Mitbegründer und Informatiker Gordon Moore, spiegelt es die technologischen Fortschritte wider, die ein exponentielles Wachstum der Anzahl der Transistoren auf einem einzelnen Computerchip ermöglicht haben.

Fünfundfünfzig Jahre nachdem Moore seine Theorie vorstellte, sehen wir noch immer, wie sie in 3D-Mikrochips umgesetzt wird, auch wenn diese Fortschritte geringere Leistungssteigerungen und geringere Stromverbrauchseinsparungen mit sich bringen als frühere Sprünge.

Den Forschern zufolge sind die Kosten für die Bearbeitung von Genen und die Synthese von Genomen seit 2010 alle zwei Jahre um etwa die Hälfte gesunken, was in etwa dem Mooreschen Gesetz entspricht. Dies bedeutet, dass die Synthese eines künstlichen menschlichen Genoms etwa eine Million Dollar kosten könnte, während ein einfacher Organismus wie ein maßgeschneidertes Bakterium nur 4.000 Dollar kosten würde.

Abbildung | Preis und Kosten der DNA-Sequenzierung von 2000 bis 2020 (a); Preis-/Kostenverhältnis der DNA-Sequenzierung (b); Preis und Kosten der DNA-Synthese (c) und Vergleich mit der Näherung des Mooreschen Gesetzes

(Quelle: Nature)

Der Vergleich der Komplexität natürlicher Arten und der Softwareentwicklung zeigt deutlich, dass die Entwicklung synthetischer Organismen möglich ist, wenn das Grundwissen vorhanden ist. Wenn die Kosten der synthetischen Biologie weiterhin in einem ähnlichen Tempo sinken wie es das Mooresche Gesetz beschreibt, könnten auch die Kosten für die Synthese von Genomen mit der Komplexität natürlicher Organismen erschwinglich werden. „Diese überwindbare Komplexität und die geringen Kosten haben die akademische Begeisterung für die synthetische Biologie geweckt und werden das Interesse an der Erforschung der Regeln des Lebens auch weiterhin anfachen.“

Ebenso sagte Steckl, dass die Biotechnik ein integraler Bestandteil nahezu aller Industriezweige und Wissenschaften werden könnte, so wie sich die Informatik von einer Nischendisziplin zu einem Schlüsselelement der meisten Wissenschaften entwickelt habe.

„Ich sehe einen Zusammenhang in der Entwicklung der Informatik als Disziplin. Inzwischen findet man in jeder wissenschaftlichen Disziplin einen signifikanten Anteil an Informatik. Ähnliche Entwicklungen sehe ich auch in der Biologie und im Bioingenieurwesen. Die Biologie wird allgegenwärtig sein, und es wird interessant sein zu beobachten, wie sich diese Bereiche weiterentwickeln“, sagte Steckl.

Abbildung | Vergleich der Herstellungsverfahren für Unterhaltungselektronik und synthetische Bioprodukte

(Quelle: Nature)

Da die Kosten für die Sequenzierung und Synthese von Genen drastisch gesunken sind, besteht die größte Herausforderung bei der Herstellung im Prozess der Zusammenstellung, Isolierung und Transplantation der in aktuellen Projekten verwendeten künstlichen Gene. Die Automatisierung dieser Prozesse kann komplex sein, insgesamt scheinen die Fertigungsanforderungen für die synthetische Biologie jedoch denen für die Unterhaltungselektronik zu ähneln.

Die Parallelen zur Präzisionsfertigung lassen darauf schließen, dass große Vorabinvestitionen in die Entwicklung von Prozessen resultieren, die eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen. Darüber hinaus hat die synthetische Biologie den Vorteil, dass sie sich selbst reproduziert. Wenn sie an die modernen Prinzipien der schlanken Fertigung angepasst werden kann, könnte sie sogar noch mehr Vorteile bieten als die Präzisionsfertigung.

Natürlich besteht neben der Fähigkeit, künstliches Leben zu erschaffen, auch die Bürde bzw. moralische Autorität, dies zu tun. „Das ist nichts, was man auf die leichte Schulter nehmen sollte, denn wir können es schaffen“, sagte Steckl. „Aber so einfach ist es nicht. Wir sollten auch die philosophischen und sogar religiösen Implikationen bedenken.“

Quellen:

https://www.uc.edu/news/articles/2022/03/how-can-computer-engineering-predict-the-future-of-gene-synthesize.html

https://www.nature.com/articles/s41598-022-06723-5

Quelle: Academic Headlines