Sammlung der Präsentationen

Transkript

1 Sammlung der Präsentationen Workshop Tag 2 SynBioTA Innovations- und Technikanalyse zur Synthetischen Biologie Natur konstruieren? Trends und Potenziale in der Synthetischen Biologie - Auftaktworkshop und 29. April, Bremen

2 Prof. Dr. Bernd Müller-Röber Universität Potsdam und acatech

3 acatech DEUTSCHE AKADEMIE DER TECHNIKWISSENSCHAFTEN Synthetic Biology Bernd Müller-Röber, Universität Potsdam / acatech April 29, 2011

4 Synthetic Biology 1 Relies on previous achievements in molecular biology with respect to knowledge gained from biological systems with respect to tools Uses standard biological entities (nucleotides, amino acids, ) Until recently: single genes; now: hundreds of genes (entire genomes) Gene transfer across all species borders Modification of existing life Includes also genome simplification and making a bio-chassis Standardization, bio-bricks: a bit skeptic about it (who will do it?) Is an advanced version of genetic engineering: any molecular biologist can do it in principle 1

5 Synthetic Biology 1 Gene transfer source organisms recipient organism DNA synthesizer 2

6 Synthetic Biology 2 Modification of Synthetic Biology -1 Uses novel entities (modified nucleotides, new types of amino acids, ) in addition to standard biological entities (nucleotides, aa, ) Engineering done through molecular biology, but requires much closer connection to chemistry Modification of existing life Leads to organisms that are biologically incompatible with known organisms (may enhance their bio-safety) Can normally not be done by a standard molecular biology lab; needs closer interaction with chemists; actually, researchers in this field of Syn Bio often are chemists 3

7 Synthetic Biology 2 Gene transfer source organisms recipient organism Chemical entities that normally do not occur in life as we know it DNA synthesizer 4 Chemical synthesis

8 Synthetic Biology 3 Extreme variant of Synthetic Biology 2 Organism exclusively made of chemical entities that are absent from life as we know it Can not be generated by current molecular biology tools; requires bottom-up approach Leads to organisms that are biologically incompatible with known organisms Does not belong to the repertoire of a standard molecular biology lab (too less chemistry), but also not to repertoire of a standard chemistry lab (too less biology); Needs experts with new skills and interest to combine both aspects May lead to parallel world of life 5

9 Synthetic Biology 3 Chemical entities that normally do not occur in life as we know it DNA synthesizer Chemical synthesis 6

10 Synthetic Biology 1 Already possible and done Dramatic progress expected over the next decade Due to increase in gene synthesis capacities Due to faster molecular cloning technologies Due to increased knowledge about genes, proteins, metabolites, regulatory networks, systems biology, 7

11 Synthetic Biology 2 In part possible and already done Will be expanded over the next years Only top-down approach relevant over the next decade Progress will be less rapid than in SB-1 approaches 8

12 Synthetic Biology 3 Impossible so far Requires very long establishment period Not sure whether it will work at all Currently science fiction, but worth thinking about it and developing the Legos needed 9

13 Synthetic Biology in general Will tremendously benefit from new technologies Rapid reading (sequencing) already standard Rapid writing (synthesizing genomes) already possible and will become faster soon Rapid prototyping (constructing model bio-complexes or whole cells) still limiting 10

14 Synthetische Biologie Thesen These 1: Konzentration auf marktträchtige Anwendungsfelder Stimme partiell zu; genereller Antrieb: Machbarkeit ; in SB-1 werden Ansätze der SynBio breiten Eingang finden in Forschung und Anwendung Bei SB-2 und SB-3 müssen wir erst einmal ankommen; hier gibt es noch erheblichen Forschungsbedarf These 2: bottom-up in nächster Zeit nicht möglich Stimme zu These 3: Dilemma in der SynBio: Einordnung in das Feld der Nanotechnologie (wohl SB-3 gemeint) Sehe ich so nicht: SynBio interessiert sich für Prozesse des Lebens (Systeme mit sehr vielen unterschiedlichen Komponenten, zelluläre Dynamik); nicht so die Nanotechnologie; 11 These 4: Integration von Rauschen zielführender als Eliminierung Ja (siehe Daten aus systembiologischen Untersuchungen)

15 12 Vielen Dank!

16 Prof. Dr. Heinz Neumann Göttinger Zentrum für Molekulare Biowissenschaften, Georg August Universität Göttingen

17 Synthetische Biologie als Werkzeug Prof. Dr. Heinz Neumann Georg August Universität Göttingen

18 What I cannot create, I do not understand. Richard Feynman, 1988 Copyright The Nobel Foundation 1965

19 Spielend lernen Biobricks Photographed at Massachusetts Institute of Technology, USA

20 Die Synthetische Biologie verbessert unser Verständnis für die Bauprinzipien biologischer Schaltkreise Wie funktionieren biologische Schaltkreise? Wodurch werden Oszillationen (z.b. Tag-Nacht Rhythmen) erzeugt? Wie werden biologische Muster generiert?

21 Die Synthetische Biologie ermöglicht einen komplementären Ansatz zur klassischen Genetik Klassische Genetik Synthetische Biologie

22 Die Erweiterung des genetischen Codes als Werkzeug zur Untersuchung biologischer Prozesse UV-Crosslinker Chemical handle Posttranslationale Modifikation Photoaktivierbare Aminosäure Fluorophor

23 Dr. Jan Marienhagen Institut für Bio- und Geowissenschaften des Forschungszentrums Jülich, Abteilung für Biotechnologie

24 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Synthetische Biologie für die Weiße Biotechnologie SynBioTA Innovations- und Technikanalyse Synthetische Biologie 28./29. April 2011 Universität Bremen Dr. Jan Marienhagen Institut für Bio- und Geowissenschaften IBG1: Biotechnologie

25 Auf dem Weg zu einer Bioökonomie zu These 1: Beschränkung auf Biofuels/Medizin Nutzung von Zellen oder Zellbestandteilen zur Herstellung industrieller Produkte wie Plastik, Feinchemikalien, Nahrungszusatzstoffe (Vitamine, AS) 95% ChemoProducts BioRenewables BioProcesses 5% BioProducts J. Marienhagen І IBG-1 2

26 Erweiterung des Substrat/Produktspektrums Funktionale Integration heterologer Stoffwechselwege aus anderen Organismen Modifizierung und Erweiterung von anabolen und katabolen Biosynthesewegen Substrate aus Biomasse Mikrobielle Zellfabriken Produktbildung Zellstoffwechsel Substratverwertung Gene aus... Pflanzen und/oder Mikroorganismen J. Marienhagen І IBG-1 Feinchemikalien Polymerbausteine Biokatalysatoren 3

27 Plattformchemikalien aus Biomasse J. Marienhagen І IBG-1 4

28 Verständnis als Grundlage zu These 2: Erzeugung von Leben bottom-up nicht möglich Polyomics Auswertung Systemanalyse der zellulären Regulation Synthetische Biologie J. Marienhagen І IBG-1 5

29 Evolutives Metabolic Engineering zu These 4: Eliminierung des Rauschens Eliminierung ist nicht notwendig! Das Rauschen muss verstärkt und genutzt werden!!! Gelenkte Evolution von Proteinen: J. Marienhagen І IBG-1 6

30 Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) Am IBG-1 in Jülich: Fluoreszenzbasiertes sortieren von Zellen pro Sekunde Metabolit- Sensor Identifizierung von Mutationen Zufallsmutagenese von Bakterien Stämme mit erhöhtem Produktspiegel fluoreszieren Hochdurchsatz- Identifizierung und Sortierung mittels FACS Genomsequenzierung Kombination der nützlichen Mutationen im Wildtyp-Genom Zufallsmutagenese Isolation von Produzenten Stamm- Entwicklung J. Marienhagen І IBG-1 7

31 Eine Biökonomie im Jahr 2030 (?) Jay Keasling Pathways, enzymes, and genetic controls are designed from characteristics of parts (enzymes, promoters, etc.)( ). The chromosomes encoding those elements are synthesized ( ) and incorporated into a ghost envelope to obtain the new catalyst. The design of the engineered catalyst is influenced by the desired product and the production process. Keasling 2010 Science 330: J. Marienhagen І IBG-1 8

32 Dr. Steffen Lindner Institut für Genetik der Prokaryoten und CeBiTec - Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld

33 Arbeitsgruppe Prof. Volker F. Wendisch, Institut für Genetik der Prokaryoten und CeBiTec, Universität Bielefeld Steffen Lindner SynBioTA Bremen, April 2011

34 Alternative Kohlenstoffquellen für die Herstellung neuer Produkte mit Corynebacterium glutamicum Gram-positiv, GRAS-Organismus 1957 als natürlicher Glutamat Produzent isoliert Jährliche Produktion von 1,3 Millionen Tonnen L-Lysin und 2,1 Millionen Tonnen L-Glutamat Glucose Saccharose Fructose Hemicellulose Komponenten aus Agrarabfällen Xylose Arabinose Biodiesel Produktion C. glutamicum Glycerin andere Chemikalien Aminosäuren

35 Alternative Kohlenstoffquellen für die Herstellung neuer Produkte mit Corynebacterium glutamicum FBR Arginin-Produzent: DargR(pEKEx3-argB FBR ) Ornithin-Produzent: DargRDargF Putrescin-Produzent: DargRDargF(pVWEx1-speF/C)

36 Maßgeschneiderte Stoffwechselwege Biotechnologie Synth. Endprodukt Glucose Arabinose Xylose Glycerin C. glutamicum Lysin Putrescin Endprodukt Polyamide Synth. Vorprodukt Chemie

37 Thesen zum Stand der Synthetischen Biologie 1. Ein Proof-of-Principle ist bisher noch nicht gelungen. Stimmt, Venters Experiment ist ein Proof für die Austauschbarkeit von Genomen. 2. Aufgrund der bisherigen Vorgehensweise stagniert die Entwicklung der Synthetischen Biologie hinsichtlich der Bewältigung der Komplexität der entwickelten Systeme. Daher müssen neue Design-Prinzipien entwickelt werden. Kein ingenieurähnliches Konstruieren möglich solange das System nicht verstanden ist, sonder nur Herumprobieren (vgl. 3. Thesen zur Definition und Struktur) Abgrenzung zur Gentechnik: Synthetischen Biologie ist eine Weiterentwicklung.

38 Thesen zu den gesellschaftlichen Erwartungen an die Synthetische Biologie 2. Die Synthetische Biologie hat das Potential, den Antagonismus von Natur und Technik zu überwinden und eine bessere, umfassendere Natur/Technik/Kultur zu schaffen....verständnis zellbiologischer und molekular-ökologischer Vorgänge. Stimmt...Das Design von Lebewesen wird dadurch zu einer neuen Kunstform heranwachsen. Quatsch

39 Thesen zu den Perspektiven der Synthetische Biologie 1. Die Forschung und Entwicklung der Synthetische Biologie wird sich vor allem auf marktträchtige Anwendungsfelder wie Energiegewinnung und Medizin konzentrieren,... Stimmt 2. Es wird in nächster Zeit nicht möglich sein, Leben aus getrennten molekularen Bestandteilen bottom-up zu erzeugen. Stimmt 3. Die Synthetische Biologie steuert auf ein Dilemma zu. Sie wird nicht über physikalisch-chemische Systeme aus Biomolekülen hinauskommen - die Resultate werden leblos bleiben und sich in das Feld der Nanotechnologie einordnen. Stimmt vielleicht, wenn man die Synthetische Biologie auf die Konstruktion von Organismen auf Basis der vorgeschlagenen Extremstandpunkte definiert. Einengen der Bewegungsfreiheit und Erfolgsaussichten.

40 Dr. Nikolai Raffler DFG - Gruppe Lebenswissenschaften 2, Bonn

41 Auftaktworkshop Kommentar SynBioTA Innovations- und Technikanalyse Synthetische Biologie Dr. Nikolai Raffler, DFG Bremen, 28./29. April 2011

42 Kommentar Synthetische Biologie... Möglichkeiten aus Sicht der Forscher kein Forscher... Vertreter einer Forschungsförderungsorganisation... zukünftige Perspektiven der SynBio kaum Aussagen möglich... Vertreter der Selbstverwaltungseinrichtung der Wissenschaft Dr. Nikolai Raffler, DFG 2 Bremen, 28./29. April 2011

43 DFG Satzung 1 Zweck des Vereins Die Deutsche Forschungsgemeinschaft dient der Wissenschaft in allen ihren Zweigen durch die finanzielle Unterstützung von Forschungsaufgaben und durch die Förderung der Zusammenarbeit unter den Forscherinnen und Forschern. Der Förderung und Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses gilt ihre besondere Aufmerksamkeit. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Gleichstellung von Männern und Frauen in der Wissenschaft. Sie berät Parlamente und Behörden in wissenschaftlichen Fragen und pflegt die Verbindungen der Forschung zur Wirtschaft und zur ausländischen Wissenschaft. Dr. Nikolai Raffler, DFG 3 Bremen, 28./29. April 2011

44 DFG Förderung in allen Wissenschaftsfeldern Beispiele Geistes- und Sozialwissenschaften Häfen von der Römischen Kaiserzeit bis zum Mittelalter Lebenswissenschaften Ecology and Species Barriers in Emerging Viral Diseases Phenotypic Heterogeneity and Sociobiology of Bacterial Populations Ultrafast and Temporally Precise Information Processing: Normal and Dysfunctional Hearing THYROID TRANS ACT Translation of Thyroid Hormone Actions beyond Classical Concepts Naturwissenschaften Probabilistic Structures in Evolution New Frontiers in Sensitivity for EPR Spectroscopy: From Biological Cells to Nano Materials Chemoselektive Reaktionen für die Synthese und Anwendung funktionaler Proteine Ingenieurwissenschaften Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte Design for Future Managed Software Evolution Fügen durch plastische Deformation Topological Engineering of Ultra-Strong Glasses Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling Dr. Nikolai Raffler, DFG 4 Bremen, 28./29. April 2011

45 DFG Prinzipien Themenwahl: Art der Forschung: Antragsberechtigt: Antragstellung: Auswahl der Projekte: Verfahren: Dr. Nikolai Raffler, DFG 5 Bremen, 28./29. April 2011 bottom-up Wissenschaftliche (Grundlagen-)Forschung Promovierte Wissenschaftler/innen, die in Deutschland forschen (möchten) Gemäß den Merkblättern für die unterschiedlichen Programme im Wettbewerb nach bekannten Kriterien Begutachtung, Bewertung und Entscheidung

46 DFG Synthetische Biologie Grundlagenforschung stärken interdisziplinäre Ausbildung fördern keine Vorgabe von Forschungsrichtungen momentaner Eindruck: mixed bag Definition wenn es denn eine gibt muss von den Forschenden selbst kommen Dr. Nikolai Raffler, DFG 6 Bremen, 28./29. April 2011

47 DFG Synthetische Biologie wenn Ideen aus der community, dann Förderung nach den genannten Prinzipien Entwicklungen verfolgen, aber keine aktive Rolle keine Ausschreibung geplant derzeitige Förderung: ca. 13,5 Mio. EUR Dr. Nikolai Raffler, DFG 7 Bremen, 28./29. April 2011

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Weitere Informationen zur DFG: zu allen geförderten Projekten: zu über deutschen Forschungsinstitutionen: Dr. Nikolai Raffler, DFG 8 Bremen, 28./29. April 2011