00:00:00: Barbara Strobl: „Der Code des Lebens“ wird präsentiert von GHGA, dem Deutschen Humangenom-Phänomarchiv. Viel Spaß bei der heutigen Folge „Synthetische Genomik“. Bei der synthetischen Genomik geht es darum, ein gesamtes Erbgut zu synthetisieren, also künstlich im Labor herzustellen. Was damit genau gemeint ist, und wozu das gut sein soll, erfahrt ihr in dieser Folge. Unser heutiger Gast ist Professor Knop. Professor Knop, könnten Sie sich bitte selber vorstellen?

00:00:37: Prof. Dr. Michael Knop: Mein Name ist Michael Knop. Ich bin Professor für molekulare Zellbiologie am Zentrum für Molekularbiologie der Universität Heidelberg, und ich habe eine Arbeitsgruppe, in der wir unterschiedliche Forschung in Richtung Zellbiologie, synthetische Biologie, und auch immer mehr Richtung synthetische Genomik betreiben.

00:00:59: Barbara Strobl: Und was motiviert Sie, in diesem Fachgebiet zu forschen?

00:01:03: Prof. Dr. Michael Knop: Die Motivation, die Arbeit und die Forschung zu machen, resultiert aus vielen spannenden Fragestellungen, denen wir begegnen, wenn wir uns einfach fragen, wie funktioniert was. Zum Beispiel, wie funktioniert eine Zelle? Wie wird Information gespeichert und prozessiert, die am Schluss ausmacht, dass eine Zelle so ist, wie sie ist. Also zum Beispiel eine Hefezelle eine Hefezelle ist, oder eine Krebszelle eine Krebszelle. Oder wie aus einer befruchteten Eizelle dann ein Mensch entstehen kann. Da gibts, sobald man sich da ein bisschen auskennt und mit der Materie vertraut ist, stößt man sehr schnell auf viele offene Fragestellungen, möchte dann verstehen, wie etwas funktioniert. Und letztendlich das ultimative Verstehen ist dann eben auch, das so weit zu beeinflussen, dass man, vielleicht aufgrund seines Verständnisses, was ändern kann, was neu machen kann. Das sind dann die Bereiche von synthetischer Biologie. Oder aber eben auch zum Beispiel etwas heilen kann, aus einer kranken Zelle umprogrammieren kann in eine gesunde. Das sind im Prinzip alles Ideen, die dann entstehen, sobald man sich sehr tief mit einer Materie beschäftigt, und auch die Möglichkeit hat, jetzt experimentell Fortschritte zu machen, und solche Fragen zu beantworten.

00:02:26: Barbara Strobl: Sie sind der Sprecher des neuen Zentrums für synthetische Genomik. Könnten Sie uns etwas über dieses Zentrum erzählen?

00:02:33: Prof. Dr. Michael Knop: Wir haben hier in Heidelberg, zusammen mit unseren Partner-Universitäten in Karlsruhe und in Mainz, dieses Zentrum für synthetische Genomik gegründet, und das Ganze ist sehr großzügig von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert, die uns Mittel zur Verfügung stellt, dass wir hier neue Technologien entwickeln können. Wir wollen das in einer möglichst nachhaltigen Art und Weise machen. Das heißt, das Hauptprinzip ist es, dass wir versuchen, Leute zu rekrutieren, und Wissenschaftler an unsere Standorte zu locken, mit Unterstützung der Stiftung, die dann einen Research Fokus, also ein Forschungsgebiet in die sogenannte synthetische Genomik, in diese Richtung entwickeln.

00:03:18: Barbara Strobl: Dann kommen wir erst einmal zu den Grundlagen. Was ist synthetische Genomik eigentlich genau?

00:03:24: Prof. Dr. Michael Knop: Die synthetische Genomik ist vielleicht ein Begriff, der nicht allen so bekannt ist. Es ist ein relativ neuer Begriff, der vermutlich erst in Zukunft, wie soll ich sagen, eine gewisse Dynamik entwickeln wird. Die Idee dahinter ist, dass, und da muss ich jetzt ein bisschen einen kleinen Bogen in der Geschichte der DNA-Forschung machen, die ganze biologische Forschung letztendlich zentriert ist auf unser Verständnis von DNA als Erbmolekül. Das beginnt mit der Identifikation, dass DNA wirklich der Träger von der Erbinformation ist, zur Entschlüsselung der Information, dann zur Möglichkeit, ganze Genome zu sequenzieren, DNA auch zu verwenden, um zum Beispiel neue Produkte zu generieren, also zum Beispiel Proteine zu exprimieren. Und momentan sind wir auf der Stufe, dass wir beliebige Genome in fast beliebiger Menge sequenzieren können. Wir können zum Beispiel von dem Organismus, von Menschen, einzelne Zellen vollständig sequenzieren, und das in vielen tausendfach. Also, das sogenannte “Single Cell Sequencing” oder “Single Cell Genomics”. Und momentan ist im Prinzip die Wissenschaft an der Stufe angekommen, wo man eigentlich gerne weiter gehen könnte, möchte, und solche Genome selber synthetisieren können möchte. Jetzt natürlich nicht menschliche Zellen, das ist noch absolute Science-Fiction, aber kleine Zellen. Man beginnt da mit Bakterien. Das kann man schon langsam, erste Bakterien, sondern dass man die Bakterien dann umprogrammieren kann, damit sie für uns nützliche Stoffe herstellen. Wir denken da zum Beispiel an Biofuels, also zum Beispiel Brennstoffe, oder Medikamente, also bestimmte Chemikalien, die für Medikamente verwendet, die für die Herstellung verwendet werden können. Man ist auch schon dabei, ein bisschen komplexere Organismen, wie die Hefen, möglichst synthetisch herzustellen. Schon dort merkt man, dass diese Komplexitätsstufe ganz enorme Herausforderungen stellt, und es ist noch nicht ganz klar, wann das erste synthetische Hefegenom vollständig fertig sein wird. Was allerdings jetzt noch fehlt, ist, also was wir so langsam sehen, ist, welche Technologien wir dazu brauchen, was uns noch völlig fehlt, ist das Verständnis, wie man solche Sequenzen, genomischen Sequenzen, vollständig neu programmiert. Da sind wir noch im Prinzip sehr weit davon. Wir sehen den ersten Ansatzpunkt durch diese künstliche Intelligenz-Revolution, die jetzt abläuft. Da wird es in Zukunft Entwicklungen geben, sodass wir dann sehr viel genauer und sehr viel innovativer versuchen können, diese Organismen für uns zu adaptieren, dass sie für uns nützliche Produkte herstellen. Und da denken wir wieder hauptsächlich an die Pharmaindustrie. Vielleicht so ein bisschen auch Richtung Nahrungsmittelindustrie, aber hauptsächlich eigentlich in die Pharmaindustrie momentan.

00:06:19: Barbara Strobl: Könnten sie noch etwas genauer erläutern, wie die synthetische Genomik, zum Beispiel der Pharmaindustrie, oder auch generell der Forschung, helfen kann.

00:06:28: Prof. Dr. Michael Knop: Also im Prinzip sind es auch Verständnisfragen, wie Zellen funktionieren. Sobald ich etwas untersucht habe, und ich habe es relativ genau verstanden, möchte ich mein Verständnis dadurch testen, dass ich das verändere und dann vorhersage, was passiert. Und das ist dann so ein bisschen die reverse Genetik. Also man führt eine Mutation ins Genom ein, und schaut, ob das passiert, was ich vorhersage. Und wenn ich eine synthetische Genomik habe, kann ich natürlich viel komplexere Veränderungen machen, und kann dann schauen, ob diese komplexe Veränderung auch das erreicht, was ich mir vorstelle, was passieren sollte. Das ist ein Tool für die Grundlagenforschung, unser Wissen wieder auf die Probe zu stellen, und dadurch im Prinzip auch wieder Lücken aufzudecken, oder die nächste Komplexitätsstufe im Prinzip, zu erforschen, indem ich kombinatorisch viel komplexere Änderungen ins Genom einfüge.

00:07:20: Barbara Strobl: Was ist denn jetzt eigentlich genau der Unterschied zwischen einem natürlichen Genom und einem synthetischen Genom?

00:07:26: Prof. Dr. Michael Knop: Momentan ist der Unterschied relativ gering muss man sagen, also die synthetischen Genome, die gemacht werden, sind im Prinzip fast hundertprozentige Kopien von den natürlichen, mit der Ausnahme, dass die rein chemisch synthetisiert wurden. Das sind sogar eigentlich kleine Sachen, beim künstlichen Hefe-Genom sind es relativ wenig Sachen, die geändert werden. Der Grund ist ganz einfach: Wir sind noch nicht in der Lage, wir verstehen die Sprache des Genoms noch nicht so, dass wir frei komponieren können. Also wir können noch nicht, wie wir in Wortbücher schreiben können, können wir keine Genome schreiben. Das ist einfach, dieses Verständnis, ist noch nicht da, da ist noch so viel, so ein hoher Komplexitätslevel drin, dass wir eigentlich nur diesen ersten Glimps haben, was sind die Signale, was sind die Informationseinheiten. Aber das zu kombinieren, in eine komplexe Struktur, die auf der Ebene von der ganzen Zelle funktioniert, ist noch nicht möglich.

00:08:27: Barbara Strobl: Wie funktioniert denn diese Technik überhaupt? Also was sind zum Beispiel die ersten Schritte, wenn man ein Genom synthetisch herstellen möchte?

00:08:34: Prof. Dr. Michael Knop: Es gibt eine erste Phase, wo man sich überlegt, was man will. Also was für ein Genom möchte ich synthetisieren? Da gibts noch nicht viele Publikationen dazu, das sind noch sehr wenig. Das sind meistens kleinere bakterielle Genome. Da haben die Leute eine bestimmte Idee. Oder virale Genome, das haben wir auch schon gemacht, dass man virale Genome synthetisiert.

00:08:54: Barbara Strobl: Warum würde man denn einen Virus synthetisieren und nicht einfach das natürliche Genom davon verwenden?

00:09:00: Prof. Dr. Michael Knop: Ganz einfach: Viele virale Genome sind sequenziert, aber man hat den Virus selbst nicht. Also zum Beispiel, es hat jemand einen Virus isoliert, er ist dann sequenziert worden, und der ist in der Datenbank. Aber den gibt es nicht als Probe, damit man damit arbeiten kann. Jetzt kann man hingehen, die Sequenz aus dem Computer nehmen, und die chemisch synthetisieren, also die Abfolge von den Basen. Die sind häufig nicht sehr lang, die können paar tausend Basen lang sein, das sind kleine virale Genome, die werden chemisch und enzymatisch zusammengebaut und dann hat man diese Sequenz im Test Tube. Und dann kann man die in eine Zelle reinbringen und die Zelle baut einem dann den Virus zusammen. Also das ist die einfachste Art der Synthetic Genomics, das wurde schon vor glaub ich 20 Jahren, wurde das gezeigt. Und jetzt ist natürlich interessant, wenn man einen Erreger irgendwo findet, aber den nicht im Labor hat, kann man sich den bauen, und dann kann man den im Labor studieren, um so im Prinzip nicht abhängig zu sein von biologischen Proben, die einfach sehr schwierig zu beschaffen sind, oder gar unmöglich.

00:10:05: Barbara Strobl: Kommen wir zurück zur Technik. Man hat in dieser ersten Phase also überlegt, welches Genom man synthetisieren möchte. Wie funktioniert denn dann der Zusammenbau von diesem Genom?

00:10:16: Prof. Dr. Michael Knop: Der ganze Prozess des Zusammenbauens ist Molekularbiologie. So nennt man diese Disziplin, wo die Leute in der Lage sind, mit DNA-Molekülen und Proteinmolekülen, also Enzymen, DNA zu manipulieren in unterschiedlichste Art und Weise, so dass man sie dann im Prinzip so wie zusammenkleben kann, bis sie lang genug sind. Was man kauft, heutzutage, ist, man kann ganz viele kleine Stücke von DNA-Fragmenten kaufen, das ist relativ günstig. Also ich kann zum Beispiel 100.000 unterschiedliche kleine DNA-Stücke kaufen. Problem ist, wie klebe ich die zusammen. Die kommen alle aus einer großen Mischung. Und wie baue ich die zusammen. Da gibts dann Firmen, die schon die ersten Anfangsprodukte, also in die ersten zehn oder so zusammengebaut haben, und man kauft sich längere Fragmente, mit denen ist einfacher zu arbeiten. Die klebe ich dann zusammen, um noch größer und immer größere Fragmente zu machen.

00:11:12: Barbara Strobl: Das klingt im Endeffekt alles recht kompliziert. Warum kann man nicht einfach bereits existierende Sequenzen zusammenbauen?

00:11:20: Prof. Dr. Michael Knop: Es ist einfach so, dass, man kann natürliche rauschneiden und verwenden und zusammenbauen, wenn man nicht zu viele Änderungen einführt. Und Änderungen in dem Fall ist häufig so, dass man ganz punktuell einzelne Basen austauscht. Wenn ich zu viele solche Änderungen einführe, ist der Aufwand für diese einzelnen Änderungen so groß, dass es einfacher ist, die ganze Sequenz zu synthetisieren. Das im Prinzip so ein bisschen, man schaut sich an, was man machen will, und dann sagt man ok, hier kann ich einfach nehmen und ändern, oder hier synthetisiere ich. Und dann am Schluss ist es eine Kostenfrage. Was ist billiger? Die Synthese, die Synthese hat einen gewissen Preis, aber die Arbeitszeit um die Mutation, eine Punktmutation einzuführen, hat auch einen Preis. Und am Schluss ist es so ein bisschen eine Balance, und dann ist irgendwann, ab einer bestimmten Komplexität ist es einfacher zu kaufen, wobei dann eben, wenn es dann noch größer wird, wird auch das Kaufen wieder sehr teuer. Und dann ist man dort, wo man im Prinzip momentan am Limit angelangt ist. Und das ist etwas, was wir auch in dem Carl-Zeiss-Zentrum versuchen, so ein bisschen zu pushen, diese Limits, dass wir hier auch ein Servicelabor, also ein Forschungslabor haben, was sich rein um solche DNA-Synthese-Technologien oder Methodiken kümmert, mit der Idee, dass, wenn ein Forscher jetzt DNA synthetisieren möchte, außerhalb von den momentanen Möglichkeiten, dass er da Unterstützung kriegt, und dann viele Projekte durchführen kann, die er sonst noch nicht durchführen könnte. Also das heißt im Prinzip „pushing the boundaries“. Also, dass man versucht, an der Vorderfront zu sein, und ein bisschen weiter pusht als das, was man im normalen Labor machen kann. Einfach, indem man hier ein Zentrum hat für synthetische Genomik.

00:13:02: Barbara Strobl: Sie haben in diesem Interview bereits kurz von KI, also von künstlicher Intelligenz, gesprochen. Wie konkret kann eine KI bei der synthetischen Genomik helfen?

00:13:11: Prof. Dr. Michael Knop: KI ist immer dann gut, in sehr großen Datenmengen Information zu extrahieren, in der Art und Weise, dass ich die danach verwenden kann, um neue Designs zu machen. Also zum Beispiel, wenn, das haben wir auch schon im Labor angewendet im kleineren Maßstab. Ich sehe, dass in einer bestimmten Proteinsequenz zum Beispiel Information drin ist, die eine bestimmte Funktion hat. Aber diese Sequenz, in dem Fall ist es eine Abfolge von Aminosäuren, verstehe ich nicht wirklich, also wie sich die zusammensetzt. Sind das unterschiedliche einzelne Informationsstücke, das Ganze? Was man dann machen kann, ist zum Beispiel, man kann sich ganz viele zufällige Sequenzen generieren, über synthetische DNA-Fragmente, und dann kann man aus diesen zufälligen Sequenzen alle die rausholen, die auch diese Funktion haben. Und dann sieht man Aminosäuresequenzen, die man vom Auge nicht wirklich interpretieren kann. Wenn man da Vergleiche anstellt, sieht man nicht genau, was da los ist. Aber sobald man künstliches, maschinelles Lernen anwendet, kann man plötzlich den Code entschlüsseln, und dann kann man auch Neues generieren, das auch diese Information hat, basierend auf diesem Verständnis. Ja, das ist ein sehr einfaches Beispiel, und das kann man beliebig komplex machen, mit längeren Sequenzen. Man braucht dann halt mehr Information, aber es ist jetzt inzwischen so, dass unsere genomische Sequenzinformation, jetzt bin ich nicht ganz sicher, alle 18 Monate sich verdoppelt, oder vielleicht noch schneller wächst. Das heißt, da ist dermaßen viel Information da, dass man jetzt auch eine wahnsinnsgute Daten-Ressource haben. Und diese ganzen neuen Sprachmodelle, die sind sehr gut in der Lage, solche gigantischen Datenmengen im Prinzip zu prozessieren, und daraus Information abzuleiten, die dann gewisse Möglichkeiten haben, Vorhersagen zu machen, oder auch gewisse Designs dann zu entwickeln, basierend auf denen.

00:15:10: Barbara Strobl: Wo sehen Sie persönlich denn die Risiken von diesem doch sehr neuen Forschungsgebiet der synthetischen Genomik?

00:15:17: Prof. Dr. Michael Knop: Sagen wir so, der Mensch ist kreativ, und wenn er Schaden anrichten will, kann er das in ganz vielen Arten und Weisen. Und auch hier kann man sich überlegen, dass jemand einen ganz, weiß nicht, schlimmen Virus synthetisiert, von dem man vielleicht die Sequenz kennt. Aber er stellt ihn im Labor her und hat ihn jetzt plötzlich zur Verfügung. Was es da auch gibt, ist wieder Vorsichtsmaßnahmen. Zum Beispiel sind auch diese Synthesen, basierend auf diesen kleinen DNA-Fragmenten, von denen ich gesprochen habe. Und wenn ich diese Fragmente bei einer Firma bestelle, dann schauen die automatisch, sind das Fragmente von potenziell schädlichen Organismen. Und dann kann es manchmal sein, dass man nur schon ein Fragment, was von dem Influenzavirus kommt, einfach nicht bestellen kann, weil die einfach sagen, nein, das geht nicht, da gibts Exportrestriktionen und so weiter. Und das ist in dem Fall sehr einfach abzuleiten, weil diese Sequenzen sind sehr eindeutig. Und da gibts eine Datenbank, die vergleiche ich einfach mit der Datenbank, und die sagt mir dann „red flag“. Und dann meistens, wenn sowas passiert, ist dann ein ehrlicher Wissenschaftler dahinter, der eine absolut klare Fragestellung hat, und da muss der halt durch einen Freigabeprozess durchgehen. Also der muss dann halt im Prinzip die entsprechenden Genehmigungen einholen, mit sowas zu arbeiten und so weiter. Und da muss ich sagen, auf der Stufe ist das relativ einfach zu regeln, einfach weil die Sequenzen so eindeutig sind. Dass Leute sehr kreativ sind, und ganz neue Viren synthetisieren, das glaube ich nicht. Die Viren sind so hoch evolviert und so komplex, dass der Mensch momentan noch in keinster Weise in der Lage ist, auch nur annähernd etwas zu machen, was auch nur annähernd funktioniert. Denke ich, also diese dystopischen Utopien, die glaube ich in der Science-Fiction Literatur der 70er, 80er, 90er Jahre sehr prominent waren, dass Geheimdienste neue Viren synthetisiert haben, die jetzt als Waffen. Da muss man schon sehr vorsichtig sein, weil die Biologie funktioniert nicht so, das heißt, der Mensch ist noch nicht in der Lage, Viren zu machen, die so komplexe Eigenschaften haben. Das, was der Mensch machen kann, ist Viren ändern, dass sie eine gewisse, zum Beispiel sich besser übertragen lassen, aber dann sieht man sofort, das ist der Virus hier, und der ist dann gelistet als potenziell gefährlicher Virus. Und dann ist das im Prinzip auch eine Sache, dass man auf der Ebene sehr einfach unterbinden kann.

00:17:33: Barbara Strobl: Wie wahrscheinlich ist es denn, dass man versehentlich eine Sequenz produziert, die unvorhergesehene Funktionen hat?

00:17:41: Prof. Dr. Michael Knop: Ja. Das versehentlich Modellieren, was dann schädlich ist, das ist sehr unwahrscheinlich. Alles, was man versehentlich falsch macht, ist nicht funktional. Die Möglichkeit, etwas Richtiges zu machen, ist statistisch so so gering. Wenn ich zum Beispiel eine Mutation machen möchte, in dem Protein, um das besser zu machen, dann ist das die Nadel im Heuhaufen, das ist ein völlig untertriebenes Beispiel. Also das Sandkorn im Pazifik ist dann vielleicht eher realistisch. Die statistische Wahrscheinlichkeit, dass ich jetzt zufällig eine Mutationen mache, die wirklich hier was Schädliches anrichtet, ist sehr gering, ja. Dann wenn man so einen ganzen Organismus macht, so ein Virus, dann wirds noch viel, viel unwahrscheinlicher. Das heißt, da gibts natürlich Möglichkeiten, wie man die evolvieren kann, aber da braucht man die Viren schon. Wenn man die schon hat, ist es eine ganz andere Voraussetzung, dann kann ich die selektieren, weil Viren können sich ganz einfach replizieren, in gigantischen Mengen, und dann kann ich die selektieren. Das ist dann natürliche Evolution im Labor. Aber das ist etwas, das gibt es schon lange, das hat nichts mit synthetischer Genomik zu tun.

00:18:44: Barbara Strobl: Kommen wir nun zu Bereich der medizinischen Versorgung. Wie kann denn die synthetische Genomik die medizinische Versorgung verbessern?

00:18:53: Prof. Dr. Michael Knop: Ja, ich mein das ist, wie soll ich sagen, ich bin kein Mediziner, und mehr an der Grundlagenforschung interessiert. Man kann jetzt hier wild spekulieren. Ich glaube, momentan ist man einfach nicht, noch nicht so weit. Also und alles, was die synthetische Genomik mal sich erträumt, wird momentan, gibts viel einfachere Ansätze dazu. Also das heißt, dass man jetzt hingeht, und zum Beispiel Menschen ein ganzes Chromosom austauscht, und dann ein Superchromosom einpflanzt, kann man sich in einem Science-Fiction Szenario vorstellen. Es gibt ein Supermensch, doppelt so großes Gehirn und so weiter. Das funktioniert einfach noch nicht so, weil die Evolution hats nicht hingekriegt und die Evolution ist hier sehr viel besser im Ausprobieren von Sachen. Wir können das in sehr geringem Umfang, im Labor, Sachen ausprobieren und alles, was den Menschen anbetrifft, ist natürlich auch da wieder durch ethische Regelungen ganz klar reglementiert. Das heißt, hier wird man sehen, wie sich dann das in Zukunft entwickelt. Aber ich glaub, das sind Entwicklungen, die jetzt vielleicht anfangen. Aber momentan, also für uns hier überhaupt nicht relevant sind. Wie gesagt, das Einzige ist, dass man halt einzelne Genbereiche austauschen kann. Hauptsächlich interessant, diese hier sogenannten Disease Models zu schaffen. Also, dass ich auch in, zum Beispiel im Modellorganismus wie der Maus, ein Krankheitsgen reintue und das über synthetische Genomik austausche, so dass das ganze, kranke menschliche Gen dort ist, um dann in der Maus nach Therapien zu suchen. Das ist vielleicht das, was momentan am nächsten an die synthetische Genomik rankommt in der Humanmedizin. Und das ist dann Therapieentwicklung, ja.

00:20:33: Barbara Strobl: Um mir ein besseres Bild der synthetischen Genomik zu machen, hätte ich ein paar Fragen, wie denn andere Themenbereiche mit der synthetischen Genomik zusammenhängen. Inwiefern hängt denn die Gentherapie mit der synthetischen Genomik zusammen? Auch hier braucht man ja DNA, die verabreicht werden kann.

00:20:50: Prof. Dr. Michael Knop: Die Gentherapie ist im Prinzip der kleine Bruder von der synthetischen Genomik. Das ist, dass man einfach das fehlende Gen ersetzt. Also der Mensch hat ein krankes, kaputtes Gen, man gibt jetzt das Richtige rein. Und wenn man dann so mehr synthetischen Genomik Aspekt hat, ersetzt man mehrere solche Gene gezielt im Genom, und hat dadurch ein Genom kreiert, was synthetische Aspekte, Abschnitte enthält. Und der Prozess von der Erzeugung ist dann eigentlich so ein synthetischer Genomik Ansatz. Aber das ist dort, wo die Terminologie letztlich so ein bisschen fließend ist. Manche Leute nennen das immer noch Gentherapie, einfach Multigen-Therapie. Es ist ein bisschen, wie soll ich sagen, ist die synthetische Genomik auch nicht als Begriff so wirklich definiert.

00:21:38: Barbara Strobl: Seit der Coronapandemie haben wir alle von RNA-Impfungen gehört. Sind auch diese Impfungen Teil der synthetischen Genomik?

00:21:45: Prof. Dr. Michael Knop: Nein. Weil letztendlich sind das RNA-Moleküle, die ein bestimmtes Protein produzieren, und das in der Art und Weise produzieren, dass es immunologisch dann wirksam ist, und eine Antwort, eine Immunantwort auslöst, so dass, wenn dann das gleiche Protein, aber in der Form von einem Virus, in den Organismus kommt, dass der Organismus dann gewappnet ist.

00:22:08: Barbara Strobl: Es gibt ja das sogenannte „DNA-Origami“. Damit bezeichnet man das Falten von DNA, um zwei- oder dreidimensionale Formen zu erzeugen. Hängt DNA-Origami mit der synthetischen Genomik zusammen?

00:22:20: Prof. Dr. Michael Knop: Die Antwort ist, es hängt nicht mit synthetischer Genomik zusammen, aber es braucht den gleichen Baustoff. Also das ist auch DNA als Baustoff. Aber im Fall von den DNA-Origamis wird die DNA wirklich als Baumaterial verwendet und nicht als Informationsspeicher. Das ist der große Unterschied. In der synthetischen Genomik ist die DNA ein Informationsspeicher, und die Arbeit wird von den Proteinen geleistet, deren Information in der DNA drinsteckt. Bei der DNA-Origami wird die DNA verwendet, weil die DNA auch diese Eigenschaft hat, dass diese Basen sich paaren können. Und wenn man das geschickt macht, kann die DNA sich in ein räumliches Gebilde falten. Man muss sich die DNA vorstellen wie ein langer Abschnitt, von, man könnte sagen unterschiedlichen Magneten, die unterschiedliche Paarungsmagnete haben. Und wenn man die jetzt synthetisiert, können die sich auch räumlich zusammenfalten.

00:23:15: Barbara Strobl: Und noch eine letzte Frage zu den Zusammenhängen. Sie haben gerade erwähnt, dass DNA im DNA-Origami als Baumaterial und nicht als Speichermedium verwendet wird. Es gibt aber auch die Möglichkeit, DNA als Speichermedium, auch für nicht-biologische Prozesse zu nutzen. Manchmal wird das auch DNA-USB genannt. Hängt dieser DNA-USB mit der synthetischen Genomik zusammen?

00:23:40: Prof. Dr. Michael Knop: Genau. Also als Informationsspeicher kann man es auch verwenden. Weil DNA-Moleküle kann man im Prinzip sequenzieren, also das heißt man kann sie lesen. Und heutzutage ist man sehr gut darin, das heißt heutzutage kann ich Milliarden von DNA-Molekülen im Prinzip fast gleichzeitig lesen. Und ich kann auch schon hunderttausende von diesen kurzen Molekülen, die bis zu 300 Basenpaaren lang sind, kann ich parallel synthetisieren. Das ist wie so ein Drucker, man druckt die auf so eine Matrix im Prinzip. Und man geht immer wieder drüber und tut immer die nächste Base drauf drucken, und am Schluss hat man quasi bei jedem Punkt, den man gedruckt hat, am Schluss ein DNA-Molekül synthetisiert. Das heißt, ich kann relativ schnell Information in DNA kodieren, kann die dann in ein DNA-Röhrchen reintun. DNA ist ein sehr stabiles Molekül, das hält auch mal 1000 Jahre durch. Also wenn ich da Ethanol drin habe, dann kann ich das in ins Regal tun, und kann 500 Jahre später kommen, kann das rausnehmen, und kann das sequenzieren und kann die ganzen Sequenzen ablesen.

00:24:44: Barbara Strobl: Anfangs haben sie erwähnt, dass die synthetische Genomik ein sehr neuer Fachbereich ist. Wie kann man denn Leute ausbilden, für einen Fachbereich, den es erst seit kurzem gibt?

00:24:55: Prof. Dr. Michael Knop: Was mit solchen Forschungsgebieten im Prinzip immer prominenter wichtig wird, das sind diese Wissenschaftler, die interdisziplinär arbeiten können. Also ich kann für solche Forschung nicht einen reinen Biologen, und reinen Molekularbiologen verwenden, wenn er nicht auch ein solides Maß an Computer- und Programmierkenntnissen hat. Das heißt, ich brauche diese Leute, die diese, wie soll ich sagen, Interdisziplinarität haben. Vielleicht ist es nicht mehr interdisziplinär, vielleicht ist es einfach ein neues Forschungsgebiet, was jetzt einfach dadurch charakterisiert ist. Und ich denke, das löst auch in Zukunft immer mehr diese klassische Biologie ab, die wir hier halt an den Universitäten noch so ein bisschen lehren. Aber zum Beispiel in Heidelberg haben wir jetzt auch diese „Engineering Sciences“, diese neue Fakultät, die halt dann auch solche Wissenschaftler-Karrieren im Prinzip begründen kann, indem man halt Engineering-Wissenschaften lernt, aber am Interface zur Molekularbiologie, zur Biologie. Und da sehe ich auch, schon spannend, auch was im Prinzip jetzt auch für neue Studienmöglichkeiten so langsam kommen, für interessierte junge Leute, um technisches, wie soll ich sagen, Hardcore-Computing-Knowhow auch wirklich in der Biologie anzuwenden. Und dann auch in der Biologie wirklich einen Impact zu haben. Und wir sehen halt hier auch, dass wir jetzt viel mit Wissenschaftlern zu tun haben, die nicht mehr die typische Biologenkarriere haben, sondern, die haben vielleicht Physik studiert, oder Mathematik, oder Geochemie, und sind dann von der Seite in die Richtung rein, einfach weil sie als verbindendes Element zum Beispiel das Computing haben. Sie haben dann sich für Biologie interessiert, haben dort dieses Wissen sich angeeignet, und arbeiten jetzt an diesem Interface.

00:26:37: Barbara Strobl: Zum Abschluss noch ein Blick in die Zukunft. Wie, glauben Sie, wird sich die synthetische Genomik in den kommenden zehn Jahren weiterentwickeln?

00:26:46: Prof. Dr. Michael Knop: Ich glaube, ein Schlüssel zu dem Forschungsgebiet ist die Möglichkeit, synthetische DNA herzustellen. Wie damals, bei der DNA-Sequenzierung. Am Anfang hat man chemisch DNA sequenziert, da war eine Sequenz von 100 Basen gern mal zwei Wochen Arbeit. Als ich mit meiner Doktorarbeit angefangen habe, waren 500 Basen, waren so drei Tage Arbeit. Dann hat man Firmen gehabt, die haben das einem erledigt, also man hat am Abend die Probe eingeschickt, und am nächsten Tag die Sequenz gekriegt, bis zu 900 Basen. Jetzt kann ich ein menschliches Genom innerhalb von zwei, drei Tagen sequenzieren. Hab dann im Prinzip alle wichtigen Änderungen kartiert. Und analog sind wir in der, in der DNA-Synthese noch in der ganzen Anfangsphase, also in der mit 100, 300, und so weiter. Und ich denke, da wird eine technologische Revolution irgendwann stattfinden, so dass man immer länger, immer mehr DNA, künstliche DNA-Moleküle einfach bestellen kann, so dass man nicht mehr die selber herstellen muss, sondern das macht eine Firma. Man kann dann direkt sich auf die Experimente konzentrieren, die man damit machen will. Und da gibts so erste Ansätze von Technologien, enzymatische DNA-Synthese, da gibts auch alle möglichen Probleme mit DNA Sekundärstrukturen und so weiter, die jetzt so langsam gelöst werden. Und da ist auch viel am Tun. Es gibt in den USA auch große Firmen, die sich um solche Technologien kümmern, oder diese entwickeln. Es ist noch nicht ganz klar absehbar, wann der wirklich, ob es dann wirklich ein Durchbruch gibt, oder ob das etwas ist, was mehr inkrementell ist. Also man wird immer besser und besser und besser. Oder wie beim Next Generation Sequencing, so diese neue Sequenzier-Methode, wo man wirklich sagen kann, hier gabs ein Durchbruch in der ganz neuen Technologie. Und dann hat man plötzlich Millionen von Sequenzier-Aktionen parallel durchführen können, was vorher einzeln gemacht wurde. Ja. Bei der DNA-Synthese, denke ich, wirds auch irgendwie vorwärts gehen, ganz wie schnell wissen wir nicht. Da lassen wir uns überraschen. Und was das Ziel des Carl-Zeiss-Zentrums ist, dass wir einfach vorbereitet sind für solche Entwicklungen. Das heißt, wenn dann irgendwo neue Produkte kommen, dass man im Prinzip auch schon Leute hat, die wissen, was man damit anfangen kann. Weil häufig ist es auch so, dass eine Technologie auf den Markt kommt, und die Leute wissen noch gar nicht, wie, was sie damit anfangen wollen. Das war beim Next Generation Sequencing so ein bisschen am Anfang so. Und das ist dann erst so langsam haben die Leute realisiert, ach cool, da kann ich ja Sachen machen, an die habe ich noch gar nicht gedacht. Und das ist jetzt auch so ein bisschen, hier so ein bisschen die Idee, das vorwegzunehmen. Und ein Mindset auch so ein bisschen dann auszurichten, in mögliche zukünftige Szenarien.

00:29:28: Barbara Strobl: Die synthetische Genomik ist also noch ein sehr neues Fachgebiet. Viele von den möglichen Anwendungen stehen erst in den Kinderschuhen. In der Zwischenzeit kann man synthetische Genomik nutzen, um Grundlagenforschung zu betreiben. Zum Beispiel, um Zellen besser zu verstehen. Die Gentherapie wurde in dieser Folge als der kleine Bruder von der synthetischen Genomik bezeichnet. Zum Thema Gentherapie haben wir bereits eine Folge. Folge 22: Gentherapie - von der Virushülle bis zum Medikament. Auch KI wurde in dieser Folge erwähnt. Mehr dazu in Folge 9: KI in der Genetik. Übrigens haben wir seit Mai auch ein neues Podcast Format. Dieser Podcast heißt „Genomhäppchen“, und pro fünfminütiger Folge gibt es einen genetischen Fun Fact. Besonders passend zur heutigen Folge ist Staffel eins, Folge vier: DNA-USB - der Datenspeicher von morgen, und Staffel eins, Folge acht: DNA-Origami - Nanoobjekte für die Wissenschaft. Habt ihr gewusst, dass es synthetische Genomik überhaupt gibt? Antwortet uns auf unserer Homepage www.ghga.de/de/codedeslebens. Dieser Podcast wurde präsentiert von GHGA. Wir bieten Infrastruktur, in welcher Genomdaten, sowie weitere medizinische Daten, sicher gespeichert und kontrolliert zugänglich gemacht werden können. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert und ist Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur. Weitere Informationen findet ihr unter www.ghga.de. Vielen Dank fürs Zuhören und herzlichen Dank an unseren heutigen Gast Professor Knop. Bis zum nächsten Mal!