Synthetische Biologie: Wie wir unsere Welt neu programmieren

Chronische Krankheiten wie Krebs oder Diabetes heilen, der Chemieindustrie nachhaltige Alternativen zu Öl und Gas bieten, Fleischersatzprodukten den Geschmack von echtem Fleisch verleihen – all das und mehr fällt unter den Bereich der synthetischen Biologie. Diese Schlüsseltechnologie, an der bereits seit 1960 geforscht wird und die sich seit Beginn der 2000er Jahre rasant entwickelt, könnte es uns zukünftig ermöglichen, unsere Welt neu zu programmieren. Für Anleger ergeben sich hierdurch aussichtsreiche Investitionsmöglichkeiten gleich mehrerer Industrien. 

Mehr als nur Medizin

Viele ordnen synthetische Biologie vorrangig im Medizinsektor ein. Dabei ist sie vielmehr an der Schnittstelle dreier Disziplinen angesiedelt: Biologie (z.B. Genome Editing), Informatik (z.B. künstliche Intelligenz und Schaltkreisdesign) und Verfahrenstechnik (z.B. Fermentationstechnik und Automatisierung). Durch die Überschneidungen dieser drei Disziplinen ist ein Vorgang entstanden, der es uns ermöglicht, die Funktionen einzelner Zellen zu optimieren und sogar komplett zu verändern.

Stark vereinfacht kann man sich diesen hochkomplexen Prozess folgendermaßen vorstellen: Zunächst werden DNA-Sequenzen als Bauanleitung für gewünschte Funktionen synthetisiert oder designt. Im nächsten Schritt werden bestehende Zellen mit der neuen DNA programmiert, wodurch ihre Funktion entsprechend angepasst wird. Endresultate der umprogrammierten DNA sind die jeweiligen, gewünschten biochemischen Substanzen wie bestimmte Proteine oder Stoffwechselprodukte. 

Potenzielle Anwendungsfälle für diese Technologie finden sich sowohl in der Pharmaindustrie als auch in der Chemie- und Lebensmittelindustrie. Bereits heute sind wir dank synthetischer Biologie in der Lage, zielgerichtet Mikroorganismen so zu verändern beziehungsweise neu zu erschaffen, dass sie in industriellen Produktionsprozessen effizient genutzt werden können. Perspektivisch werden die Entwicklungen im Bereich der synthetischen Biologie mehrere Industrien stark beeinflussen. Investoren, die sich mit den Entwicklungen bereits heute beschäftigen und diese Veränderungen antizipieren, haben die Chance, bereits heute in die führenden Player von morgen zu investieren. 

Synthetische Biologie in der Chemieindustrie

Die chemische Industrie basiert heute noch zum Großteil auf fossilen Rohstoffen – Erdgas oder Erdöl werden in verschiedene Basis-Chemikalien aufgetrennt (z.B. Propen oder Ethen) und genutzt, um in teils sehr aufwendigen Prozessen Moleküle zu synthetisieren. Da solche Synthesen bei höheren Temperaturen und erhöhtem Druck meist effizienter ablaufen, wird für diese Prozesse eine große Menge an Energie benötigt. Neben dem hohen Energieverbrauch und der Umweltverschmutzung erhöhen zuletzt auch politische Faktoren den Druck auf die Industrie, auf nachhaltige Prozesse umzustellen, die nicht von Erdgas und Erdöl abhängig sind. 

Biologische Prozesse („Bioprozesse”) nutzen günstige und nachwachsende Rohstoffe, können in den allermeisten Fällen bei Raumtemperatur oder geringfügig höheren Temperaturen durchgeführt werden und erzeugen umweltverträgliche Abfallprodukte.

Dies macht den Einsatz von Bioprozessen zu einem elementaren Bestandteil einer grünen und nachhaltigen Chemieindustrie. Die synthetische Biologie wird dabei die Grundlage bieten, Bioprozesse wirtschaftlich und kompetitiv gegenüber der Petrochemie zu gestalten und andererseits neue, zuvor nicht herstellbare Produkte zu entwickeln. Für Tech-affine Anleger mit einem langfristigen Investmenthorizont eröffnen sich hier spannende Möglichkeiten. Nichtsdestotrotz sehen wir heute noch einige Limitierungen und Risiken in der wirtschaftlichen Verbreitung von Bioprozessen, wie z.B. in der Produktion hoch skalierter Basischemikalien.

Synthetische Biologie in der Lebensmittel- und Agrarindustrie

Auch in der Lebensmittelindustrie finden sich Anwendungsfälle für synthetische Biologie, zum Beispiel bei Fleischersatzprodukten. Sogenannte Hämoproteine sind mitverantwortlich für den Geschmack und die Textur von Fleisch. Das Fleischersatz-Startup Impossible Foods produziert diese Proteine mithilfe von genetisch veränderten Hefen, um bei Fleischersatzprodukten eine bestmögliche Ähnlichkeit zu Fleisch zu erreichen.

Auch die Agrarindustrie darf auf optimierte Bedingungen dank synthetischer Biologie hoffen. Die Herstellung von Dünger basiert heute noch zum Großteil auf fossilen Rohstoffen. Joyn Bio (ehemals ein Joint Venture von Bayer & Ginkgo Bioworks, wird nun in Ginkgo Bioworks integriert) verfolgt einen nachhaltigeren Ansatz und designt Mikroorganismen, welche an den Wurzeln von Pflanzen sitzen, den notwendigen Stickstoff aus der Luft binden und der Pflanze bereitstellen. So könnte zukünftig der Bedarf an chemisch hergestelltem Stickstoffdünger, dessen Herstellung aktuell etwa 2% der weltweiten Energieressourcen ausmacht, deutlich reduziert werden.

Ginkgo Bioworks – einer der führenden Player in der synthetischen Biologie

Einer der Urväter der synthetischen Biologie ist der Informatiker Tom Knight, der früher als Professor am MIT an künstlicher Intelligenz forschte und dann das Unternehmen Ginkgo Bioworks mitgründete. Ginkgo unterstützt Unternehmen dabei, neue chemische oder biologische Produkte zu entwickeln und diese mit optimierten Mikroorganismen wie Bakterien oder Hefen herzustellen. Dafür nutzt Ginkgo ein nahezu vollständig automatisiertes Labor, die sogenannte Foundry, und eine große Datenbank von proprietären und veröffentlichten DNA-Sequenzen und Stoffwechselprozessen, namens Codebase.

Die Herausforderung bei der Programmierung von Zellen liegt für viele Unternehmen beim Design der DNA-Sequenzen. Die genaue Funktionalität einer mit synthetischer Biologie modellierten Zelle kann aktuell noch nicht präzise vorausgesagt werden. Ob ein synthetisierter oder designter DNA-Strang die gewünschte Funktion in die Zelle programmiert, muss an einer Zelle getestet werden. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die benötigten Funktionen auftreten, was zu hohen R&D-Aufwänden führt.

Mit der Foundry Plattform übernimmt Ginkgo für seine Kunden diesen iterativen Prozess extrem effizient, parallelisiert und automatisiert. Ähnlich einer automatisierten Produktionsanlage arbeiten hier Roboterarme, Testmaschinen und eine eigens entwickelte Steuerungssoftware Hand in Hand. 

Alle in der Foundry aus Laboruntersuchungen gewonnenen Informationen werden in die Codebase eingespeist, ausgewertet und die Performance der jeweils verwendeten genetischen Bauteile evaluiert. Die Anwendung einer künstlichen Intelligenz kann bei einer entsprechend großen Menge an Daten Beziehungen zwischen Produktausbeuten und dem Metabolismus des Organismus herstellen und so vielversprechende genetische Designs voraussagen.

Fazit: 

Auch wenn wir insgesamt noch am Anfang dieser Entwicklung stehen, ist bereits heute absehbar, dass synthetische Biologie für viele Industrien wie die Chemie-, Pharma- und Agrarindustrie großes disruptives Potenzial bietet. Einige der Unternehmen und Startups, die auf dem Gebiet der synthetischen Biologie operieren, haben aus unserer Sicht mit den entsprechenden technologischen Durchbrüchen eine exponentielle Entwicklung vor sich.

Der Fokus der nächsten Jahre wird unserer Meinung nach weiterhin auf der Herstellung besonders komplexer chemischer Moleküle sowie biologischer Makromoleküle wie Proteinen oder Enzymen liegen (“High Value, Low Volume”). McKinsey schätzt den heute absehbaren Markt für derart produzierte Stoffe auf 200 bis 300 Milliarden US-Dollar jährlich innerhalb der nächsten 20 Jahre. Beschleunigt durch Fortschritte in der Simulation, Sequenzierung und dem Design von Proteinen oder Enzymen sehen wir zusätzlich eine riesige Marktchance durch die Entwicklung neuer und innovativer Produkte.