Biomedical Engineering Reference
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eingebracht. Auf diese Weise wurden z. B. Mikroorganismen erzeugt, mit
deren Hilfe die Wirksamkeit von Medikamenten überprüft werden kann,
welche ihre Wirkung erst nach Aufnahme in das Bakterium entfalten.
Schrittweiser Aufbau von biologischen Systemen aus künstlichen Molekü-
len, um somit - entsprechend den biologischen Vorbildern - „lebensfähi-
ge“ Organismen zu kreieren, d. h. die Schaffung von Protozellen, also Lipid-
vesikeln, welche dann mit der Minimalausstattung an Genen „gefüllt“ wer-
den. Dies ist der sogenannte Bottom-Up-Ansatz. Dazu sollen leere Fett-
tröpfchen schrittweise mit DNA und den nötigen niedermolekularen Sub-
stanzen gefüllt werden, die eine Teilung und Reproduktion dieser Bläschen
ermöglichen. Mit diesem Ansatz können grundlegende Fragen der Zellbio-
logie, wie z. B. der Energiestoffwechsel, untersucht werden. Die Organis-
men sind oft nur unter Laborbedingungen, z. B. durch Zusatz bestimmter
Vitamine oder Spurenelemente, lebensfähig.
Reduktion eines biologischen Systems auf die minimal notwendigen Kom-
ponenten, um somit einen Wirtsorganismus zur Verfügung zu stellen, der
mit austauschbaren Bausteinen (= „Bio-Bricks“) in neuartigen Funktionsva-
rianten bestückt werden kann. Dies ist der sogenannte Top-Down-Ansatz,
mit dessen Hilfe Zellen mit einem Minimalgenom hergestellt werden. So
wurde beispielsweise ein Bakterium (
Escherichia coli
) erzeugt, dessen Ge-
nom (= Gesamtheit aller Gene) nur noch 80 % des Ausgangsstammes ent-
hält. Dieser Organismus wächst schneller als der Wildtyp. Damit eignet er
sich für die Herstellung neuer rekombinanter Proteine. Im Top-Down-
Ansatz bezeichnet „Top“ die natürliche, unveränderte Zelle und „Down“
eine künstlich erzeugte Zelle, aus der alle Gene entfernt wurden, die nicht
unmittelbar für die Lebensfähigkeit der Zelle erforderlich sind.
Suche nach alternativen chemischen Systemen: Durch den Einsatz von aty-
pischen Substanzen sollen Systeme mit gleichen biologischen Funktionen -
quasi in einer Parallelwelt - innerhalb von Zellen nachgebaut werden. Dies
führt zu sogenannten orthogonalen Biosystemen. Dies bedeutet, dass an-
statt der in der Natur vorkommenden vier Nukleinbasen Adenin (A), Gua-
nin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) (also den „Buchstaben“, aus denen die
DNA aufgebaut ist) andere Basen zum Aufbau der Erbsubstanz verwendet
werden. Diese künstlichen Nukleinsäuren, sogenannte XNA-Nukleotide,
werden den Organismen zugesetzt. Sie bauen ihre Erbsubstanz damit auf.
Wenn gleichzeitig die Bildung der natürlichen Basen inaktiviert ist, können
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