Craig Venter über DNS und das Meer

In der Pause wurde ich von mehreren Leuten nach einem Kommentar zur Debatte um das Altern gebeten. Dies wird mein einziger Kommentar dazu sein. Soweit ich weiß, leben Optimisten deutlich länger als Pessimisten. (Gelächter)

In den kommenden 18 Minuten werde ich Ihnen berichten, wie wir dabei sind, ausgehend vom Lesen des genetischen Codes die ersten Schritte zu unternehmen, den Code selbst zu schreiben. Diesen Monat ist es gerade 10 Jahre her dass wir die erste Sequenz eines frei lebenden Organismus veröffentlicht haben, die von Haemophilus influenza. Dabei reduzierten wir die für ein Genom Projekt nötige Zeit von 13 Jahren auf vier Monate. Das gleiche Genomprojekt können wir nun bereits innerhalb von zwei bis acht Stunden durchführen. Im letzten Jahrzehnt wurden eine Vielzahl an Genomen dazugefügt: die meisten menschlichen Pathogene, ein paar Pflanzen, einige Insekten und Säugetiere, einschliesslich des menschlichen Genoms. Man dachte in der Genomik vor ein wenig mehr als 10 Jahren, dass man bis Ende dieses Jahres zwischen drei und fünf Genome sequenziert haben dürfte; es sind bereits hunderte. Wir haben gerade Forschungsgelder von der Gordon and Betty Moore Stiftung bekommen um in diesem Jahr 130 Genome zu sequenzieren - als ein Nebenprojekt zur Analyse von Umweltorganismen. Die Geschwindigkeit, mit der wir den genetischen Codes lesen, hat sich also verändert.

Aber in Anbetracht dessen, was es dort draussen gibt, haben wir gerade erst begonnen zu erkunden, was es auf diesem Planeten gibt. Weil Mikroben unsichtbar sind, ist den meisten Menschen nicht klar, dass sie ungefähr die Hälfte der Biomasse auf der Erde ausmachen, während alle Tiere zusammen nur ungefähr ein tausendstel auf die Waage bringen. Vielleicht haben Menschen aus Oxford dazu nicht nicht oft Gelegenheit, aber bedenken Sie, wenn sie Sie jemals ans Meer kommen und dort einen Schluck Meerwasser nehmen, dass jeder Milliliter etwa eine Million Bakterien und um die 10 Millionen Viren enthält.

Vor zwei Jahren waren weniger als 5000 mikrobielle Arten beschrieben, deshalb haben wir uns entschieden, daran etwas zu ändern. Wir begannen die Sorcerer II Expedition die wie andere große ozeanographische Expeditionen zum Ziel hat, alle 320 km eine Probe des Ozeans zu nehmen. Wir begannen mit unserem Testprojekt auf den Bermuda Inseln, reisten nach Norden bis nach Halifax, arbeiteten uns von dort die Ostküste der Vereinigten Staaten hinab, durch das Karibische Meer, den Panama Kanal, bis zu den Galapagos Inseln und überquerten den Pazifik. Jetzt sind wir dabei, uns durch den Indischen Ozean zu arbeiten. Es ist eine sehr schwere Arbeit; wir arbeiten auf einem Segelschiff, unter anderem auch um junge Leute für die Wissenschaft zu begeistern. Die Experimente sind unglaublich einfach. Wir nehmen einfach Meerwasser, filtern es, und sammeln unterschiedlich grosse Organismen in unterschiedlichen Filtern. Dann bringen wir ihre DNS in unser Labor in Rockville, wo wir alle 24 Stunden einhundert Millionen Buchstaben ihres genetischen Codes entschlüsseln können. Dabei haben wir einige erstaunliche Entdeckungen gemacht.

Zum Beispiel dachte man, dass es nur ein oder zwei Organismen in diesem Ökosystem gäbe, die die gleichen lichtempfindlichen Pigmente besitzen, die wir auch in unseren Augen haben. Aber es stellte sich heraus, dass fast jede Art in den oberen Meereschichten in den warmen Teilen der Welt dieselben Photorezeptoren besitzt und Sonnenlicht als Energiequelle und für die Kommunikation verwendet. An einer Stelle entdeckten wir in einem Fass [ca. 120 Liter] Meerwasser 1,3 Millionen neue Gene und nicht weniger als 50.000 neue Spezies.

Wir haben die Analyse jetzt mit Forschungsgeldern der Sloan Stiftung auf die Luft ausgedehnt. Wir messen, wie viele Viren und Bakterien wir täglich ein- und ausatmen, insbesondere in Flugzeugen oder geschlossenen Zuschauerräumen. (Gelächter) Wir filtern die Luft mit einfachen Geräten; wir sammeln in der Grössenordnung von einer Milliarde Mikroben an nur einem Tag indem wir die Luft auf dem Dach eines Gebäudes in New York City filtern. Derzeit sind wir dabei, alle diese Proben zu sequenzieren.

Ein Einblick in die Datenerhebung: als wir Proben an den Galapagos Inseln gesammelt hatten, fanden wir, fast alle 320 km eine riesige Artenvielfalt in den Meerwasserproben. Einige davon machen absolut Sinn, wenn man die unterschiedlichen Temperaturgradienten betrachtet. Hier haben wir ein Satellitenbild, das die Temperaturen zeigt -- rot bedeutet warm, blau bedeutet kalt -- und wir fanden, dass es einen riesigen Unterschied in der Häufigkeit von Arten zwischen den Warmwasserproben und den Kaltwasserproben gibt. Die unterschiedlichen Wellenlängen, die von den Lichtrezeptoren detektiert werden, haben uns ebenfalls überrascht. Wir können die Wellenlängen anhand der Aminosäuresequenz der Rezeptoren vorhersagen und sie variieren ungemein von Region zu Region. Wie erwartet detektieren die Lichtrezeptoren in der Tiefsee meist blaues Licht. Wenn es sehr viel Chlorophyll gibt, detektieren sie sehr viel grünes Licht. Sie variieren aber noch mehr, möglicherweise tendierend zu Infrarot und Ultraviolet, an den Extremen.

Um zu versuchen, einen Überblick über die Gesamtheit der gesammelten Gene zu bekommen, fügten wir alle Daten zusammen -- einschliesslich all derer, die wir bis zu diesem Zeitpunkt von der Expedition hatten, also mehr als die Hälfte der Gene unseres Planeten -- und fanden insgesamt ca. 29 Millionen Gene. Wir haben versucht, diese Sequenzen Genfamilien zuzuordnen, um zu sehen welche Entdeckungen wir gemacht hatten: Hatten wir nur neue Mitglieder bekannter Familien aufgespürt, oder komplett neue Genfamilien entdeckt ? Es stellte sich heraus, dass wir etwa 50.000 grosse Genfamilien erkennen konnten, aber mit jeder neuen Probe, die wir aus der Umwelt nehmen, steigt die Zahl neuer Familien linear an. Wir stehen noch ganz am Anfang davon, die elementaren Gene, Komponenten und das Leben auf diesem Planeten zu erkunden.

Wenn wir uns den sogenannten Abstammungsbaum ansehen, befinden wir Menschen uns zusammen mit den Tieren in der oberen rechten Ecke. Von den ungefähr 29 Millionen Genen, haben wir gerade etwa 24.000 in unserem Genom. Und wenn man alle Tiere zusammenfasst, haben wir gemeinsam wahrscheinlich weniger als 30.000 Gene, die wahrscheinlich in ungefähr zwölftausend unterschiedliche Genfamillien fallen. Meiner Ansicht nach sind diese Gene nicht nur die Designkomponenten der Evolution. Dies ist eine Betrachtungsweise, die von einzelnen Genen ausgeht -- vielleicht basierend auf Richard Dawkins' Ideen. Genome dagegen bestehen aus verschiedenen Kombinationen dieser Genkomponenten.

Unsere Fähigkeit synthetische DNS künstlich herzustellen hat sich in etwa genauso schell entwickelt wie die DNS Sequenzierung in den letzten ein, zwei Jahrzenten und der Prozess ist mittlerweile sehr schnell und sehr billig. Wir begannen über synthetische Genome nachzudenken, als wir im Jahr 1995 das zweite Genom sequenziert hatten, das von Mycoplasma genitalium. Wir haben wirklich schöne T-Shirts auf denen steht, "Ich liebe mein Genitalium", sie verstehen. Es handelt sich dabei um einen Mikroorganismus mit ungefähr 500 Genen. Der Virus Haemophilus influenzae hatte 1.800 Gene. Wir stellten uns einfach folgende Frage: wenn eine Art 800 Gene braucht und die andere 500, gibt es einen kleineren Satz von Genen, der ein minimales Betriebssystem darstellt ?

Also haben wir Transposon Mutagenese durchgeführt. Transposons sind einfach kleine DNS Stücke, die sich wahllos in den genetischen Code einfügen. Wenn sie sich in die Mitte eines Genes einfügen, zerstören sie dessen Funktion. Also erstellten wir eine Karte aller Gene in denen das Einfügen eines Transposons toleriert wurde und nannten diese "nicht-essentielle Gene". Aber es stellt sich heraus, dass die Umgebung von großer Bedeutung ist, und man nur definieren kann ob ein Gen essentiell oder nicht-essentiell ist, wenn man genau definiert, unter welchen Umweltbedingungen der Organismus lebt. Zusätzlich haben wir einen eher theoretischen Ansatz versucht, indem wir die Genome von 13 verwandten Arten miteinander verglichen haben, um zu sehen, was sie gemeinsam haben. Wir erhielten diese überlappenden Kreise und nur 173 Gene die alle 13 Organismen gemeinsam haben. Die Zahl der gemeinsamen Gene erweiterte sich ein wenig, wenn wir einen intrazellulären Parasiten ignorierten; sie wurde noch größer, wenn wir uns auf bestimmte Kerngruppen von Genen konzentrierten, auf ungefähr 310. Wir denken also, dass wir - ausgehend von den minimalen 500 Genen - Genome auf vielleicht 300 bis 400 Gene erweitern oder einengen können, abhängig der jeweiligen Betrachtungsweise.

Der einzige Weg, diese Ideen zu beweisen, war ein künstliches Chromosom mit diesen Genen zu konstruieren, indem wir eine auf Gen-Kassetten basierende Methode einsetzten. Wir fanden heraus, dass es extrem schwer war lange, fehlerfreie DNS Abschnitte zu konstruieren. Meine Kollegen Ham Smith und Clyde Hutchinson entwickelten eine aufregende neue Methode die es uns erlaubte, einen 5.000 Basenpaare grossen Virus in einem Zeitraum von nur 2 Wochen zu synthetisieren, der bezüglich seiner Sequenz und seiner Biologie zu 100 Prozent fehlerfrei war. Das war ein sehr aufregendes Experiment -- als wir einfach das synthetische Stück DNS nahmen und in Bakteren injizierten, begann die DNS auf einmal, die Produktion der Viruspartikel zu steuern, die widerum das Bakterium töteten. Das war nicht der erste synthetische Virus -- ein Polio Virus war ein Jahr zuvor geschaffen worden -- aber es war nur ein zehn-tausendstel so aktiv und man hatte drei Jahre für die Herstellung benötigt. Hier sehen sie eine schematische Darstellung der Struktur von Phi X-174. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Software jetzt ihre eigene Hardware baut, und so stellen wir uns Biologie vor.

Einige Leute äußerten sofort Bedenken bezüglich biologischer Kriegsführung, ich musste vor kurzem vor einem Komitee des Senates aussagen und ein spezielles Gremium der U.S. Regierung wurde geschaffen, um diesen Bereich zu bewerten. Ich glaube, daß es wichtig ist, Realität und Fantasie zu unterscheiden. Im Grunde genommen kann das Genom jedes Virus', der heute sequenziert wird, auch hergestellt werden. Die Leute fürchten sich sofort for Dingen wie Ebola oder den Pocken, aber die DNS dieser Organismen ist nicht ansteckend. Sogar wenn jemand das Genom der Pocken herstellen sollte, wäre diese DNS selbst nicht ansteckend. Designer Viren lösen bei Sicherheitsabteilungen echte Besorgnis aus. Es gibt nur zwei Länder, die Vereinigten Staaten und die ehemalige Sowjetunion, die größere Anstrengungen unternommen haben, biologische Waffen herzustellen. Wenn diese Forschung wirklich eingestellt worden ist, sollte es in Zukunft nur sehr wenig Interesse am knock-how zur Herstellung von Designerviren geben.

Ich denke, daß einzellige Organismen in den nächsten zwei Jahre Realität werden können. Möglicherweise auch eukaryotische Zellen, zumindest diejenigen, die wir haben, sind innerhalb von 10 Jahren möglich. Wir stellen momentan einige dutzend verschiedene Konstrukte her, indem wir die Kassetten und die darin enthaltenen Gene variieren, die Teil der künstlichen Chromosomen werden. Die Schlüsselfrage ist: wie fügt man all die anderen ein ? Wir beginnen mit diesen Fragmenten, und nutzen dann die Methode der homologen Rekombination, um sie zu Chromosomen zusammenzufügen.

Dieses System stammt von einem Mikroorganismus, Deinococcus radiodurans, der eine Strahlenbelastung von drei Millionen Rad überleben kann. Es fügt sein Genom nach einer Bestrahlung, durch die seine Chromosomen in kleine Stücke zerbrochen wurden, innerhalb von 12 bis 24 Stunden wieder neu zusammen. Diesen Organismus gibt es überall auf der Erde und er könnte sich sogar aufgrund unserer Raumfahrtprogramme bereits im Weltall befinden. So sieht ein Glasskolben nach einer Bestrahlung mit ungefähr einer halben Million Rad aus. Das Glass begann zu brennen und Risse zu bilden, während der Mikroorganismus am Boden sich immer wohler fühlte. Hier sehen Sie ein Photo davon, was passiert: oben sehen sie das Genom nach einer Bestrahlung mit 1.7 Million Rad. Das Chromosome ist wortwörtlich explodiert. Und hier die gleiche DNS 24 Stunden später, nachdem sie automatisch wieder zusammengesetzt worden war. Es ist wirklich unglaublich, dass diese Organismen diese Fähigkeit haben und es gibt wahrscheinlich tausende, wenn nicht zehntausende verschiedene Arten auf der Welt, die diese Fähigkeit haben. Nachdem diese künstlichen Genome hergestellt worden sind, ist der erste Schritt einfach eine Transplanatation in eine Zelle, die kein Genom enthält.

Wir glauben, dass synthetischen Zellen ein außerordentliches Potential haben, nicht nur für die Erforschung der Grundlagen des Lebens sondern hoffentlich auch für die Lösung von Umwelt- und Gesellschaftsproblemen. Der dritte Organismus, dessen Genom wir entschlüsselt haben, Methanococcus jannaschii, lebt bei Wassertemperaturen nahe dem Siedepunkt, nutzt Wasserstoff als Energiequelle und deckt seinen Kohlenstoffbedarf, indem es Kohlendioxid aus der Umgebung anreichert. Wir kennen mittlerweile verschiedene molekulare Wege, und tausende verschiedener Arten, die Kohlendioxid zum Leben benötigen und es aus der Umgebung aufnehmen können. Anstatt Kohlenstoff für Synthesen aus Erdöl zu gewinnen, haben wir nun die Chance, Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu gewinnen, es von dort wieder einzufangen und es in biologische Polymere und andere Produkte zu verwandeln. Wir haben einen Organismus entdeckt, der sich von Kohlenstoffmonoxid ernährt und nutzten es als Reduktionsmittel, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstof zu zerlegen. Außerdem gibt es zahlreiche molekulare Wege, die zum Abbau von Methan eingesetzt werden können. Die Firma DuPont hat ein wichtiges Programm mit der Firma Statoil in Norwegen, das zum Ziel hat, Methan aus den Gasfeldern einzufangen und in nützliche Produkte umzuwandeln.

Ich glaube, dass es in kurzer Zeit ein neues Gebiet mit dem Namen "Kombinatorische Genomik" geben wird, denn mit unseren neuen Fähigkeiten zur Gen-Synthese, der großen Auswahl an Genen und der Methode der homologen Rekombination können wir einen Roboter planen, der vielleicht eine Million verschiedene Chromosomen pro Tag herstellen kann. Damit können wir, wie schon bisher in der Biologie, gewünschte Funktionen durch Screening auswählen - ob man Organismen nach ihrer Fähigkeit der Wasserstoffproduktion der chemischen Produktion oder nur aufgrund ihrer Überlebensfähigkeit auswählt. Wir stehen kurz davor, die Rolle dieser Gene zu verstehen.

Wir versuchen, die Photosynthese so zu verändern, daß wir Wasserstoff aus der Energie des Sonnenlichts herstellen können. Die Photosynthese ist von der Sauerstoffkonzentration abhängig, aber wir haben eine Sauerstoff-unempfindliche Hydrogenase entdeckt die unserer Auffassung nach den Prozess komplett verändern wird. Wir kombinieren Cellulasen, Enzyme, die komplexe Zucker in Einfachzucker zerlegen, mit Fermentationsprozessen in der gleichen Zelle, um Ethanol herzustellen. Die Herstellung pharmazeutischer Produkte mittels Mikroorganismen findet in wichtigen Laboratorien bereits statt. Die chemischen Eigenschaften natürlicher Komponenten ist um Größenordnungen komplexer als die derjenigen, die unsere besten Chemiker herstellen können. Ich denke, daß zukünftige künstliche Arten eine Quelle von Nahrungsmitteln und hoffentlich auch von Energie darstellen, zur Umweltsanierung eingesetzt und vielleicht sogar die petrochemische Industrie ersetzen werden.

Lassen Sie mich mit ethischen und politischen Untersuchungen abschließen. Wir haben den Beginn unserer Experimente im Jahr 1999 verschoben, bis wir einen anderthalbjährigen Bewertungsprozess abgeschlossen hatten, um zu entscheiden, ob wir versuchen sollten, künstliche Arten zu erschaffen. Alle großen Religionen waren daran beteiligt. Es war eine recht seltsame Untersuchung, weil die verschiedenen Religionsführer ihre Schriften wie Gesetzesbücher behandelten. Sie konnten keine Vorschriften entdecken, die das Erschaffen von Leben verboten, also war es wohl in Ordnung. Am Ende waren sie besorgt über die mögliche Anwendung zur biologischen Kriegsführung, erlaubten uns aber die von uns begründeten Experimente zu beginnen.

Vor kurzem hat die Sloan Foundation Forschungsgelder für eine an mehreren Instituten durchgeführte Untersuchung bereitgestellt, die zum Ziel hat, die Chancen und Risiken für die Gesellschaft auf diesem Gebiet auszuloten und Regeln für Wissenschaftler wie mich und mein Team zu formulieren und wir versuchen auf diesem Weg ein gutes Beispiel darzustellen. Es handelt sich um komplexe Fragestellungen. Mit Ausnahme der Bedrohung durch Bioterrorismus geht es um einfache Fragen wie z.B. können wir Wege zur sauberen Gewinnung von Energy entwickeln ? Können wir unter Umständen revolutionieren, was Entwicklungsländern zur Verfügung steht und was sie durch einfache Prozesses erreichen können ? Herzlichen Dank.