Orthogonale Systeme

von Janine Brettschneider und Gabriel Kind

Orthogonal? Was war das doch gleich? Der Begriff ist vermutlich bereits aus der Schulzeit bekannt. Dazu muss man sich einfach nur an den Mathe- oder Physikunterricht zurückerinnern. Zwei zueinander senkrecht verlaufende Geraden werden auch orthogonal zueinander genannt. Wenn man diese Überlegung nun von Geraden auf Vektoren ausdehnt, dann sind diese, sofern orthogonal, auch linear unabhängig. Genau diese Unabhängigkeit ist das entscheidende Stichwort für biologische, orthogonale Systeme. Gegensätzlich zur Mathematik wird hierbei Bezug auf die gegenseitige Beeinflussung zweier biologischer Systeme genommen und sofern diese als unabhängig anzusehen ist, spricht man von einem orthogonalen System.

Orthogonalität.

Wer nun der Meinung ist, dass dies wieder einmal ein völlig abstrakter Ansatz von realitätsfernen Forschern aus dem dunklen Labor ist, der irrt. Aber wo gibt es sie denn nun? Bereits im Römisches Reich (6. Jh. v. Chr. – 5. Jh. n.Chr.) und ab dem frühen Mittelalter nutzten die Bauern ein orthogonales System um größtmögliche landwirtschaftliche Erträge zu erbringen. Bezeichnet wurde dieses System als Dreifelderwirtschaft. Hierbei erfolgte in einer definierten Reihenfolge die Feldnutzung, wobei je nach Nutzungsart immer andere Ressourcen des Bodens beansprucht wurden. Dies hatte zur Folge, dass der Boden Zeit zur Regeneration bekam, die Erträge um 20 % gesteigert werden konnten und man von einem orthogonalen System in Bezug auf die Ressourcennutzung des Bodens sprechen kann. [Benner, 2008] Was unterscheidet den Menschen von dem Affen und den Affen von dem Hund? Sie gehören zu verschiedenen Arten und gemäß dem biologischen Artkonzept nach Mayr, Dobzhansky und Huxley können sie keine fertilen Nachkommen erzeugen [Neil et al, 2011]. Man kann somit verallgemeinern, dass Arten als biologische Systeme zu betrachten sind, die eine orthogonale Genetik besitzen, wodurch sie außerstande sind, fortpflanzungsfähige Nachkommen zu erzeugen.

Diese zwei Beispiele verdeutlichen bereits, dass in unserem Alltag mehr dieser ominösen Systeme versteckt sind, als es auf den ersten Blick den Anschein erweckt, aber warum spielen sie in der synthetischen Biologie eine so große Rolle? Ein besonderer Aspekt bei der Erzeugung von orthogonalen Systemen ist die damit verbundene Sicherheit (siehe Biologische Sicherheit). Das große Ziel ist es, Organismen zu erschaffen, die außerstande sind mit natürlichen Systemen eine Verbindung einzugehen, wodurch eine genetische Interaktion ausgeschlossen werden kann [Schmidt & de Lorenzo, 2012].

Um diese Orthogonalität in biologischen Systemen zu erhalten, existieren verschiedene Ansätze. Derzeit unterscheidet man metabolische und biochemische Orthogonalität. Ersteres basiert darauf, dass man das metabolische Netzwerk einer Zelle in Module zerlegt, die unabhängig voneinander agieren. Dies erlaubt Veränderungen innerhalb eines Moduls, ohne die Beeinflussung weiterer. Bei der biochemischen Orthogonalität erfolgt die Modifikation oder der Austausch elementarer Zellbestandteile, wie z.B. der Basen, der DNA, der Aminosäure, der Ribosomen oder der Proteine. Eine Möglichkeit hierfür bietet z.B. die Nutzung von chiralen Molekülen oder die sogenannte Xenobiologie. Hierbei werden die vier bekannten Basen Adenin, Cytosin, Thymin und Guanin um weitere Basen ergänzt bzw. die Basen ausgetauscht. Dies führt dazu, dass diese nicht von natürlichen Polymerasen gelesen werden können und damit sind solche Organismen, sollten sie in die Natur gelangen, nicht überlebensfähig. Dieses Vorgehen hat insbesondere Sicherheitsaspekte, weil dadurch eine unkontrollierte Ausbreitung verhindert werden kann. Weiterhin kann die (D)NA-Backbone ausgetauscht werden, was Änderungen in den chemischen Eigenschaften, beispielsweise in Stabilität oder Hitzebeständigkeit, zur Folge hat. In Schmidt (2010) ist eine ausführliche Auflistung diverser xenobiotischer Ansätze zu finden. Da es anscheinend möglich ist, mittels anderer Stoffe, lebensfähige Organismen herzustellen, kann als Nebeneffekt der Xenobiologie auch noch die Hypothese aufgestellt werden, dass Leben auf anderen Planeten eventuell nicht aus der uns bekannten DNA besteht [Schmidt, 2010].

Ein weiterer Ansatz ist es, dass Leseverfahren der DNA-Sequenz zu verändern. Die natürliche Translation verwendet für die Codons Triplets (also 3-Buchstaben-Codes). Um die normale Translation nicht zu behindern, kann dabei maximal ein selten genutztes Stopp-Codon als Kennzeichnung verwendet werden. Dieser Ansatz ist daher stark limitiert. Forschern ist es aber gelungen, mittels modifizierter Ribosomen, das Leseraster auf Quadruplets zu vergrößern, das Ergebnis ist somit ein 4-Buchstaben-Code. Dadurch erhöht sich die Anzahl der theoretisch maximal möglichen Aminosäuren von 64 (4^3) auf 256 (4^4). Durch dieses Verfahren ist es einerseits möglich, die normale Translation zu verhindern, sodass diese nur bei 4-Buchstaben einen Sinn ergibt, andererseits können aber auch in DNA-Sequenzen beide Codes gleichzeitig verwendet werden, dies resultiert in, je nach natürlichem oder synthetischem Ribosom, verschiedenen Proteinen [Neumann et al, 2010; Wang et al, 2001].

Wie an diesen Beispielen zu sehen, existieren unzählige Möglichkeiten, orthogonale Systeme zu erzeugen und ebenso vielfältig werden die damit verbundenen Anwendungen sein. Eine Möglichkeit ist beispielsweise die Verwendung der XNA, um stabilere Medikamente zu schaffen, welche zum Beispiel die Säuren im Verdauungstrakt überstehen [Geddes, 2010]. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass orthogonale Systeme in Zukunft eine große Rolle spielen werden. Besonders der damit verbundene Sicherheitsaspekt wird von enormer Bedeutung sein. Schmidt & Lorenzo (2012) gehen sogar davon aus, dass die derzeit viel verwendeten genetisch veränderten Organismen von den genetisch sicheren Organismen eines Tages vollständig verdrängt werden. Es bleibt also spannend, wo wir in Zukunft überall auf orthogonale Systeme treffen werden.

Orthogonale Systeme sind nicht in der Lage mit natürlichen Systemen zu kommunizieren, wodurch ein genetischer Austausch verhindert wird.

Quellenverzeichnis

  • Benner (2008) Ländlicher Raum- Ländliche Siedlungen und Flur. Studienarbeit im Fachbereich Geowissenschaften / Geographie - Bevölkerungsgeographie, Stadt- u. Raumplanung an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, S. 14
  • Neil, Campbell, Reece (2011) Biologie: Gymnasiale Oberstufe. Pearson Education, München, 1.Auflage, S. 314
  • Geddes (2010) Life’s code rewritten in four-letter words New Scientist, Electronic edition, 20 February 2010, visit online.
  • Neumann, Wang, Davis, et al. (2010) Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome. Nature 464: S. 441–4.
  • Schmidt (2010) Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafetytool. BioEssays 32: S. 322–331.
  • Schmidt & de Lorenzo (2012) Synthetic constructs in/for the environment: Managing the interplay between natural and engineered Biology. FEBS Letters. 586(15): S. 2199-2206.
  • Wang, Brock, Herberich, et al. (2001) Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science. 292: S. 498–500.

Originalbeitrag

einfuehrung/orthogonality.txt · Zuletzt geändert: 2013/02/18 10:46 von Röbbe Wünschiers
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