HEFE UND BAKTERIEN NACH BAUPLAN · 14. OKTOBER 2026

Forscher nutzen synthetische Biologie, um Zellen zu programmieren

Biologen arbeiten wie Ingenieure: Sie planen Erbgut am Rechner, bauen es aus genormten Teilen zusammen und prüfen Varianten in Serie. Daraus entstanden ein Malariawirkstoff aus Hefe, Enzyme für das Plastikrecycling und Zelltherapien gegen Leukämie.

VON MARTIN JENDRISCHIK · 10 Min. LESEN

Bäckerhefe kann die Vorstufe eines Malariamittels liefern, das sonst aus einer Pflanze stammt. Bakterien können einen Alkohol für Kunststoffe bilden, den kein natürlicher Organismus herstellt. Für solche Umbauten steht der Begriff synthetische Biologie. Ihre Vertreter behandeln Zellen als technische Systeme, die sich entwerfen, bauen und schrittweise verbessern lassen.

Die Arbeit ist kleinteiliger, als der Begriff klingt. Labore tauschen einzelne Abschnitte im Erbgut aus, messen Hunderte Varianten und verwerfen die meisten. Für Chemie und Energiewende lohnt der Aufwand: Mikroben stellen aus Zucker, Reststoffen oder Gasen Stoffe her, die heute aus Erdöl kommen. Zwischen Laborerfolg und wettbewerbsfähiger Anlage liegen allerdings Jahre.

Was synthetische Biologie von klassischer Gentechnik trennt

Die klassische Gentechnik überträgt meist ein Gen in einen Organismus, etwa das Gen für menschliches Insulin in ein Bakterium. Synthetische Biologen gehen weiter. Sie verschalten viele genetische Bauteile zu Regelkreisen und ganzen Stoffwechselwegen, die in dieser Form in der Natur nicht vorkommen. Der Organismus bekommt damit eine Funktion, nicht nur eine zusätzliche Eigenschaft.

Den Anspruch formulierte der Bioingenieur Drew Endy vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) 2005 in Nature, in einem Aufsatz über die Grundlagen einer ingenieursmäßigen Biologie. Er beschreibt ein offenes Register standardisierter biologischer Bauteile und eine Hierarchie von Abstraktionsebenen. Abstraktion heißt hier: Wer einen Regelkreis entwirft, muss nicht jede DNA-Base kennen. Ein Promotor, der Startabschnitt vor einem Gen, wird zum Bauteil mit gemessener Stärke.

Eine scharfe Grenze zur Gentechnik zieht in Deutschland niemand. Bei der synthetischen Biologie handele es sich um „kein inhaltlich klar umrissenes und definiertes Forschungsfeld“, erklärte die Bundesregierung im November 2019. Sie schloss sich damit der Zentralen Kommission für die Biologische Sicherheit, dem Büro für Technikfolgen-Abschätzung und großen Wissenschaftsorganisationen an. Das Feld hält seine Methode zusammen, keine Definition.

Wie Forscher Zellen entwerfen, bauen und testen

Fachleute beschreiben ihre Arbeit als Kreislauf aus Entwurf, Bau, Test und Lernen, englisch Design-Build-Test-Learn. Im Entwurf legen Forschende die Zielfunktion fest und planen die Gene am Rechner. Im Bau fügen sie die DNA zusammen und bringen sie in Zellen ein. Im Test messen sie, was die Zellen tatsächlich tun. Im Lernschritt fließen die Daten in Modelle für die nächste Runde.

Damit dieser Kreislauf schneller dreht, richten Hochschulen Biofoundries ein: automatisierte Labore, in denen Roboter die Handarbeit übernehmen. Im Juni 2018 kamen in London 15 nicht kommerzielle Biofoundries aus vier Kontinenten zusammen, um eine weltweite Allianz zu gründen. Das schildern die Beteiligten um Nathan Hillson und Paul Freemont in ihrem Gründungsaufsatz in Nature Communications von 2019.

Den Entwurfsschritt hat die Rechenleistung verändert. Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften vergab den Chemie-Nobelpreis 2024 zur Hälfte an David Baker für computergestütztes Proteindesign. Die andere Hälfte erhielten Demis Hassabis und John Jumper für ein KI-Modell, das Proteinstrukturen aus der Aminosäurefolge vorhersagt. Beide Werkzeuge sparen Laborrunden.

Der engste Flaschenhals sitzt am Ende, beim Sprung vom Kolben in den Fermenter mit tausenden Litern. Im großen Tank ändern sich Sauerstoffversorgung, Wärmeabfuhr und Rührkräfte, und der Stamm verhält sich anders. Cleantech-Unternehmen wie Ark Biotech entwickeln deshalb Bioreaktoren ohne schnell drehende Rührwerke. Solar Foods brachte sein Proteinpulver Solein in eine Demonstrationsanlage.

Welche Arbeiten das Feld geprägt haben

Im Januar 2000 erschienen in Nature zwei Arbeiten, die Gene erstmals wie elektronische Bauteile verschalteten. Michael Elowitz und Stanislas Leibler bauten aus drei Repressor-Genen einen genetischen Taktgeber, der Kolibakterien periodisch grün fluoreszieren ließ. Timothy Gardner, Charles Cantor und James Collins konstruierten einen genetischen Kippschalter, eine Art Speicher in der Zelle.

Den Nachwuchs formte ein Wettbewerb. Der International Genetically Engineered Machine, kurz iGEM, begann im Januar 2003 als Studienkurs am MIT. 2004 wurde daraus ein Sommerwettbewerb mit fünf Teams. Studierende bauen dort aus Standardbauteilen eigene genetische Systeme. Nach Angaben der iGEM-Stiftung traten 2019 bereits 353 Teams aus mehr als 40 Ländern an.

Die größte Aufmerksamkeit erregte 2010 das J. Craig Venter Institute. Sein Team berichtete in Science über eine Bakterienzelle, deren Erbgut es nach digitalem Bauplan chemisch herstellen ließ. Die Zelle trug den Namen JCVI-syn1.0 und teilte sich.

Am Erbgut eines höheren Organismus arbeitet seit Jahren das Konsortium Sc2.0, das die Chromosomen der Bäckerhefe neu schreibt. Im Januar 2025 erschien in Nature Communications das letzte synthetische Hefechromosom. Für die synthetische Biologie ist das Projekt ein Prüfstand, kein Produkt.

Quelle: Originalarbeiten in Nature, Science und Nature Communications, FDA-Zulassung vom August 2017; Zusammenstellung Oktober 2026.

Was synthetische Biologie in Chemie und Recycling leistet

Ein frühes Beispiel liefert 1,4-Butandiol, ein Grundstoff für Kunststoffe und Lösemittel. Ein Team um Harry Yim beim US-Unternehmen Genomatica baute Kolibakterien so um, dass sie den Stoff direkt aus Zucker bilden. Der Stamm erreichte 18 Gramm je Liter, wie die Arbeit 2011 in Nature Chemical Biology beschreibt. Kein Organismus stellt diesen Stoff von Natur aus her, halten die Autoren fest.

An derselben Stelle setzt das Münchener Cleantech-Startup Origin.Bio an, das Inhaltsstoffe der Chemieindustrie mit umprogrammierten Mikroorganismen herstellen will. Dasselbe Prinzip liefert Proteine für Milch- und Eiersatz (mehr dazu: Präzisionsfermentation).

Im Recycling liegt der sichtbarste Fortschritt. Ein Team um Vincent Tournier und Alain Marty, zu dem Beschäftigte des französischen Unternehmens Carbios gehörten, verbesserte ein bakterielles Enzym am Rechner und im Labor. Die umgebaute Variante zerlegte mindestens 90 Prozent eines PET-Ansatzes in zehn Stunden in seine Bausteine, wie das Team 2020 in Nature berichtete. Carbios arbeitet seither am Sprung von der Demonstrationsanlage in die erste kommerzielle Fabrik.

In Leipzig verfolgt ESTER Biotech denselben Weg mit einem Enzym aus Bodenproben, das dünnwandiges PET aufspaltet. Der Stand nach eigenen Angaben: ein Reaktor mit 100 Litern im Pilotbetrieb, Industrieanlagen erst geplant. Damit stehen beide Verfahren dort, wo synthetische Biologie meist steht: zwischen belegtem Laborergebnis und offener Wirtschaftlichkeit.

Wo die Medizin umprogrammierte Zellen schon einsetzt

Den weitesten Weg hat ein Malariawirkstoff hinter sich. Artemisinin stammt aus dem Einjährigen Beifuß, die Ernte schwankt mit Wetter und Anbaufläche. Ein Team um Chris Paddon beim US-Unternehmen Amyris brachte Bäckerhefe dazu, die Vorstufe Artemisininsäure zu bilden, 25 Gramm je Liter. Vier chemische Schritte führen von dort zum Wirkstoff, mit einer Gesamtausbeute von 40 bis 45 Prozent, wie die Arbeit in Nature von 2013 beschreibt.

Die Weltgesundheitsorganisation qualifizierte den halbsynthetischen Wirkstoff im Mai 2013 für den Einkauf, Sanofi startete die Produktion im großen Maßstab. Die Anlage war auf rund 60 Tonnen je Jahr ausgelegt, etwa ein Drittel des Weltbedarfs.

Dann unterbot der Pflanzenwirkstoff den Preis. Er lag zwei Jahre unter 250 Dollar je Kilogramm. Sanofi deckte seine Kosten nach Angaben des Fachmagazins Nature erst bei 350 bis 400 Dollar. 2015 produzierte das Unternehmen keine einzige Tonne, 2016 verkaufte es die Anlage. Dieser Rückschlag gehört zur Bilanz der synthetischen Biologie genauso wie der Laborerfolg.

Routine ist dagegen der Umbau menschlicher Zellen gegen Krebs. Bei einer CAR-T-Therapie entnehmen Ärzte dem Patienten T-Zellen und geben ihnen den Bauplan für einen künstlichen Rezeptor gegen Tumorzellen. Die US-Arzneimittelbehörde FDA ließ eine solche Therapie am 30. August 2017 erstmals zu, zunächst für eine Form der Leukämie bei Kindern und jungen Erwachsenen.

In Laboren entstehen inzwischen T-Zellen mit eingebauten Schaltern, die sich von außen abschalten lassen. Die ZKBS führt diese Arbeiten in ihrem Monitoring als Forschungsstand, nicht als Behandlung. Solche Eingriffe treffen menschliche Zellen, und entsprechend streng prüfen Behörden jeden Schritt.

Wie Deutschland und die EU synthetische Biologie regulieren

Ein eigenes Gesetz für synthetische Biologie gibt es nicht. Die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit hält in ihrer Übersicht zum Thema fest, dass es in Deutschland und Europa keine spezifische Regulierung dafür gibt. Die meisten Ansätze erzeugen gentechnisch veränderte Organismen und fallen damit unter die EU-Richtlinien 2009/41/EG und 2001/18/EG, in Deutschland umgesetzt im Gentechnikgesetz. Versuche ohne lebensfähige Organismen im Reagenzglas erfasst dieses Gesetz nicht.

Das Gentechnikgesetz teilt gentechnische Arbeiten in vier Sicherheitsstufen ein, von keinem bis zu hohem Risiko für Mensch und Umwelt. Die ZKBS sitzt beim Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit und besteht laut Gesetz aus zwölf Sachverständigen plus Vertretern gesellschaftlicher Gruppen. Sie beobachtet das Feld seit Juni 2018 laufend und legte 2012, 2018 und im Juli 2022 Berichte vor. Ihr Befund mit Stand Dezember 2023: Bestehende Regelungen erfassen die betrachteten Forschungsansätze, Handlungsbedarf sieht die Kommission nicht.

Debatten gibt es trotzdem, weil dieselben Werkzeuge nützen und schaden können. Im September 2025 veröffentlichte die ZKBS eine Stellungnahme zu spiegelbildlichen Bakterien. Sie erkennt das schwer abschätzbare Gefährdungspotenzial solcher Organismen an und unterstützt die Forderung nach einer breiten Debatte. Die Arbeit an spiegelbildlichen Molekülen für Medikamente will die Kommission weiter zulassen.

Auf EU-Ebene läuft ein Gesetzgebungsverfahren. Die Kommission legte am 16. Dezember 2025 den europäischen Biotech Act vor, eine Verordnung und eine begleitende Richtlinie. Der Rat verständigte sich am 16. Juni 2026 auf seine Verhandlungsposition zur Richtlinie, die unter anderem ein beschleunigtes Verfahren für bestimmte gentechnisch veränderte Mikroorganismen vorsieht. Das Europäische Parlament muss seine Position noch festlegen, erst danach verhandeln beide Seiten den Endtext.

Mit dem Biotech Act will die Kommission auch Sicherheitsvorgaben vereinheitlichen, die zwischen den Mitgliedsstaaten auseinandergehen. Für Labore in Deutschland gilt bis zur Verkündung im Amtsblatt das heutige Recht, Stand Oktober 2026.

Wo synthetische Biologie wirklich steht, zeigen je Projekt drei Fragen. Läuft ein Stamm nur im Kolben oder im Kubikmeter? Liefert eine Anlage Tonnen oder Muster? Und gegen welchen Preis tritt das Produkt an? Am Artemisinin scheiterte eine Technik an der Ernte in Ostasien, nicht an der Biologie, und im PET-Recycling ersetzt ein umgebautes Protein heiße Chemie.

QUELLEN

1. Deutscher Bundestag, Pressedienst: Antwort der Bundesregierung zur Synthetischen Biologie, 19. November 2019.
2. Scientific American: Synthetic Biology's First Malaria Drug Meets Market Resistance, 23. Februar 2016.
3. ZKBS: Monitoring Synthetische Biologie, Stand 31. Dezember 2023.
4. Gentechnikgesetz: Paragraf 4, Kommission für die Biologische Sicherheit, abgerufen im Oktober 2026.
5. Rat der Europäischen Union, Pressemitteilung zur Verhandlungsposition zum Biotech Act I, 16. Juni 2026.
6. PATH, Pressemitteilung zur WHO-Qualifizierung von halbsynthetischem Artemisinin, 10. Mai 2013.

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