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Was ist das?

🎯 Simulator-Tipps

📚 Glossar

Genome

Der vollständige Satz genetischer Anweisungen, die in DNA (oder RNA bei einigen Viren) kodiert sind und alle Informationen angeben, die zum Aufbau und Betrieb eines lebenden Organismus erforderlich sind.

Synthetic Genome

Ein am Computer entworfenes und aus chemisch synthetisierten DNA-Fragmenten zusammengesetztes Genom, das genau spezifizierte genetische Anweisungen kodiert und nicht solche, die durch die natürliche Evolution vererbt wurden.

Chassis Organism

Eine vereinfachte Wirtszelle, die als Plattform für Anwendungen der synthetischen Biologie dient, analog zum Betriebssystem eines Computers, auf dem Anwendungen installiert sind.

BioBricks

Standardisierte, austauschbare genetische Teile mit definierten Funktionen (Promotoren, kodierende Sequenzen, Terminatoren), die zum Aufbau genetischer Schaltkreise kombiniert werden können und im Register der biologischen Standardteile geführt werden.

Protocell

Eine einfache künstliche zellähnliche Struktur, die funktionelle Moleküle innerhalb einer Membrangrenze einkapselt und zur Erforschung der Ursprünge des Lebens und als Bausteine für von unten nach oben gerichtete synthetische Zellen dient.

JCVI-syn3.0

Der vom J. Craig Venter Institute im Jahr 2016 geschaffene minimale synthetische Organismus mit nur 473 Genen stellt das kleinste Genom dar, das in der Lage ist, frei lebendes Zellleben aufrechtzuerhalten.

Synthia

Der informelle Name für JCVI-syn1.0, den ersten Organismus mit einem vollständig synthetischen Genom, der 2010 von Craig Venters Team durch die Synthese des gesamten Mycoplasma mycoides-Genoms geschaffen wurde.

Xenobiology

Ein Teilgebiet der synthetischen Biologie, das biologische Systeme erforscht, die auf nichtnatürlicher Biochemie aufgebaut sind, einschließlich alternativer genetischer Polymere (XNA), nichtkanonischer Aminosäuren und neuartiger Stoffwechselwege.

Genetic Toggle Switch

Einer der ersten synthetischen genetischen Schaltkreise, veröffentlicht im Jahr 2000 von Gardner et al., bestehend aus zwei sich gegenseitig unterdrückenden Genen, die wie ein Lichtschalter zwischen zwei stabilen Zuständen umgeschaltet werden können.

Repressilator

Ein von Elowitz und Leibler (2000) geschaffener synthetischer genetischer Oszillator, der aus drei Genen besteht, die sich in einem Zyklus gegenseitig unterdrücken und wie eine biologische Uhr periodische Schwankungen in der Genexpression erzeugen.

CRISPR-Cas9

Ein von bakteriellen Immunsystemen adaptiertes Genbearbeitungswerkzeug, das das präzise Schneiden und Modifizieren von DNA-Sequenzen ermöglicht und sowohl die natürliche Genomtechnik als auch die synthetische Biologie revolutioniert.

Metabolic Engineering

Die Optimierung von Stoffwechselwegen innerhalb von Organismen, um die Produktion gewünschter Substanzen wie Biokraftstoffe, Pharmazeutika oder Industriechemikalien zu steigern.

Directed Evolution

Eine Labortechnik, die die natürliche Selektion nachahmt, um Proteine oder Organismen mit gewünschten Eigenschaften zu entwickeln, wurde 2018 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet (Frances Arnold).

Biocontainment

Sicherheitsmaßnahmen, die verhindern sollen, dass synthetische Organismen außerhalb kontrollierter Laborbedingungen überleben oder sich vermehren, wie z. B. künstliche Auxotrophien und Notausschalter.

Cell-Free Synthetic Biology

Durchführung synthetischer biologischer Reaktionen außerhalb lebender Zellen unter Verwendung gereinigter Enzyme und Zellextrakte, was ein schnelles Prototyping genetischer Schaltkreise ohne die Komplikationen einer lebenden Zellumgebung ermöglicht.

Orthogonal System

Ein synthetisches biologisches System, das unabhängig von der natürlichen Maschinerie der Wirtszelle arbeitet, Cross-Talk verhindert und eine sichere Eindämmung technischer Funktionen ermöglicht.

Auxotrophy

Eine genetische Veränderung, die einen Organismus von einem von außen zugeführten Nährstoff abhängig macht, der in der natürlichen Umgebung nicht vorkommt, und als Bioeindämmungsmechanismus für synthetische Organismen dient.

Gene Drive

Eine gentechnische Technologie, die die Vererbung beeinflusst, um ein Gen schneller in einer Population zu verbreiten als die normale Mendelsche Vererbung, mit potenziellen Anwendungen bei der Schädlingsbekämpfung und Eliminierung von Krankheitsüberträgern.

Codon Optimization

Neugestaltung der DNA-Sequenz, die ein Protein kodiert, um vom Wirtsorganismus bevorzugte Codons zu verwenden und so die Translationseffizienz und Proteinausbeute in Anwendungen der synthetischen Biologie zu verbessern.

Gibson Assembly

Eine von Daniel Gibson entwickelte molekulare Klonierungsmethode, die die Verbindung mehrerer DNA-Fragmente in einer einzigen isothermen Reaktion ermöglicht, was für den Zusammenbau synthetischer Genome aus kleineren Teilen entscheidend ist.

Quorum Sensing

Ein von Bakterien genutztes (und von synthetischen Biologen ausgenutztes) Kommunikationssystem von Zelle zu Zelle, bei dem Zellen Signalmoleküle absondern und erkennen, um Gruppenverhalten basierend auf der Bevölkerungsdichte zu koordinieren.

iGEM Competition

Der International Genetically Engineered Machine-Wettbewerb, ein jährlicher Studentenwettbewerb für synthetische Biologie, der von Drew Endy und anderen am MIT gegründet wurde und weltweit Tausende junger synthetischer Biologen ausgebildet hat.

Genome Project-write

Eine internationale wissenschaftliche Initiative unter der Leitung von George Church und anderen mit dem Ziel, vollständige Genome, einschließlich eines vollständigen menschlichen Genoms, mithilfe chemischer DNA-Synthese von Grund auf zu synthetisieren.

Bioreactor

Ein Gefäß, in dem biologische Reaktionen (Fermentation, Zellwachstum, Metabolitenproduktion) unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden, was für die Ausweitung der synthetischen Biologie vom Labor auf die industrielle Produktion unerlässlich ist.

Synthetic Auxotrophy

Eine manipulierte genetische Abhängigkeit, bei der ein synthetischer Organismus eine nicht-natürliche Aminosäure oder einen nicht-natürlichen Nährstoff benötigt, der in der Umwelt nicht vorkommt und als Bioeindämmungsmechanismus dient, der ein Überleben außerhalb des Labors verhindert.

Kill Switch

Ein in synthetische Organismen eingebauter genetischer Schaltkreis, der als Reaktion auf bestimmte Umweltsignale (z. B. das Fehlen eines Induktormoleküls) den Zelltod auslöst und so einen aktiven Biocontainment-Sicherheitsmechanismus bietet.

🏆 Schlüsselpersonen

Craig Venter (2010)

Leitete das Team, das 2010 die erste synthetische Zelle (JCVI-syn1.0, Spitzname Synthia) schuf, indem es ein komplettes Bakteriengenom von Grund auf synthetisierte und es in eine Empfängerzelle transplantierte. Später entstand der Minimalgenomorganismus JCVI-syn3.0.

Drew Endy (2003-present)

Pionier des ingenieurwissenschaftlichen Ansatzes in der Biologie an der Stanford University, Mitbegründer der BioBricks Foundation und des iGEM-Wettbewerbs, der jährlich Tausende junger synthetischer Biologen in standardisierter Gentechnik ausbildet.

Jack Szostak (2000s-present)

Führte in Harvard/MGH Grundlagenforschung zu Protozellen und den Ursprüngen des Lebens durch und demonstrierte, wie einfache Fettsäurevesikel wachsen, sich teilen und RNA einkapseln können – und lieferte Einblicke in die Entstehung der ersten Zellen. Nobelpreisträger für Telomerforschung.

Frances Arnold (1993 (first directed evolution), 2018 (Nobel Prize))

Pionierarbeit bei der gerichteten Evolution von Enzymen, die beweist, dass die Laborevolution Proteine mit völlig neuen Funktionen hervorbringen kann. Für diese für die synthetische Biologie grundlegende Arbeit wurde er 2018 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

George Church (2000s-present)

Entwickelte Schlüsseltechnologien für die synthetische Biologie, einschließlich Multiplex-Genom-Engineering (MAGE), leistete einen Beitrag zum Human Genome Project und leitete Bemühungen, komplette menschliche Genome von Grund auf zu synthetisieren (Genome Project-write).

Michael Elowitz (2000)

Er war Miterfinder des Repressilators, eines der ersten synthetischen genetischen Schaltkreise, und demonstrierte, dass Gene wie elektronische Komponenten in oszillierende Schaltkreise eingebunden werden können. Diese Arbeit trug dazu bei, das Gebiet der synthetischen Biologie ins Leben zu rufen.

James Collins (2000)

Gemeinsam mit Timothy Gardner entwickelte er den genetischen Kippschalter, einen der grundlegenden Beweise dafür, dass Genregulationsnetzwerke rational gestaltet werden können. Sein Labor leistet weiterhin Pionierarbeit bei Anwendungen der synthetischen Biologie in der Diagnostik und Therapie.

🎓 Lernressourcen

Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome
Der bahnbrechende Wissenschaftsartikel (2010) beschreibt die Entstehung der ersten synthetischen Zelle, bei der ein vollständig chemisch synthetisiertes Genom in eine Empfängerzelle transplantiert wurde, die dann anhand der synthetischen Anweisungen startete.
Design and Synthesis of a Minimal Bacterial Genome
Der Science-Artikel (2016) beschreibt JCVI-syn3.0, einen Organismus mit nur 473 Genen – dem kleinsten Genom, das Leben erhalten kann – und enthüllt, dass 149 dieser Gene unbekannte Funktionen haben.
Construction of a Genetic Toggle Switch in Escherichia coli
Das Nature-Papier (2000) beschreibt einen der ersten synthetischen genetischen Schaltkreise, einen bistabilen Kippschalter, der zwischen zwei stabilen Zuständen umgeschaltet werden kann, und demonstriert damit den rationalen Entwurf von Genregulationsnetzwerken.
Synthetic Biology: A Very Short Introduction
Eine leicht verständliche Einführung in die synthetische Biologie durch Oxford University Press, die die wichtigsten Konzepte, Methoden und ethischen Überlegungen des Ingenieurwesens abdeckt und sich perfekt für Einsteiger in dieses Fachgebiet eignet.
Life at the Speed of Light: From the Double Helix to the Dawn of Digital Life
Craig Venters eigener Bericht über die Schaffung der ersten synthetischen Zelle, der aus erster Hand den wissenschaftlichen Weg von der Genomsequenzierung zur Genomsynthese und die philosophischen Implikationen der Erschaffung von Leben erzählt.
Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves
Ein visionäres Buch des Genetikers George Church, das untersucht, wie die synthetische Biologie ausgestorbene Arten wiederbeleben, neue Organismen erschaffen und Medizin, Landwirtschaft und Energieerzeugung grundlegend verändern könnte.
Craig Venter: Creating Synthetic Life (TED Talk)
Craig Venter beschreibt, wie sein Team die erste synthetische Zelle geschaffen hat, und erörtert die Auswirkungen, die es mit sich bringt, lebende Organismen von Grund auf zu entwerfen und zu bauen.
What is Synthetic Biology? - iBiology
Ein Lehrvideo von iBiology, das die Prinzipien der synthetischen Biologie erklärt, von standardisierten genetischen Teilen bis hin zu Anwendungen in der Medizin und den Umweltwissenschaften.
The Origin of Life - Protocells and Self-Assembly
Jack Szostaks Vortrag darüber, wie sich einfache chemische Systeme selbst zu Protozellen zusammenfügen können, bietet Einblicke sowohl in den Ursprung des natürlichen Lebens als auch in das Design synthetischer Zellen.
Frances Arnold: Directed Evolution (Nobel Lecture)
Der Vortrag der Nobelpreisträgerin Frances Arnold darüber, wie gezielte Evolution im Labor Enzyme mit völlig neuen Fähigkeiten erzeugen kann, eine grundlegende Technik für die Entwicklung synthetischer Organismen.
iGEM: The World's Largest Synthetic Biology Competition
Ein Überblick über den iGEM-Wettbewerb, bei dem Tausende von Studenten weltweit synthetische biologische Systeme entwerfen und bauen und so die nächste Generation synthetischer Biologen vorstellen.

💬 Nachricht an Lernende

{'encouragement': 'You are exploring one of the most profound questions in science: what is life, and can we create it? Every great synthetic biologist started with curiosity about how living things work. By experimenting with this simulator, you are taking your first steps into a field that will reshape our world.', 'reminder': 'Synthetic biology is not just about science -- it raises important ethical questions about our responsibility as creators of life. As you learn, think about both the amazing possibilities and the responsibilities that come with this power.', 'action': 'Start by creating a simple organism with a DNA genome and photosynthetic energy source. Then try XNA to see what life might look like with artificial genetics. Finally, use the evolution feature to watch your creation adapt over generations. Each experiment teaches something new.', 'dream': 'We dream of a world where synthetic biology helps cure diseases that disproportionately affect the poorest communities, where engineered organisms clean contaminated water in developing nations, and where every student regardless of background can learn to engineer life for the benefit of all humanity.', 'wiaVision': 'WIA Book believes that the power to understand and create life should not be gatekept by elite institutions. Through free, interactive simulators in 206 languages, we are democratizing access to synthetic biology education and inspiring the next generation of life engineers worldwide.'}

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