Projekt läuft · Synthetische Biologie
BioBrick
Wir entwerfen DNA-Bausteine, um im Labor treuere Organoide zu züchten.
- die Narbe, die zwischen zwei Teilen bleibt
- 8 Basen
- schneiden und verbinden die Standardteile
- 4 Enzyme
- das Plasmid pSB1C3, um die Teile zu verschicken
- 2070 bp
- Teams im Wettbewerb bei iGEM, 2025
- 412
Für alle, die kommen aus Biologie, Biotechnologie, Bioinformatik
Der BioBrick-Standard
Ein BioBrick ist ein DNA-Stück mit einer genauen Funktion, zum Beispiel ein Gen anzuschalten, und mit Enden, die für alle gleich sind. Der Standard heißt RFC 10: Tom Knight hat ihn 2003 am MIT geschrieben, und er ist der meistgenutzte in der synthetischen Biologie.
Jedes Teil hat davor dasselbe Präfix und dahinter dasselbe Suffix, mit den Stellen von vier Enzymen, die DNA schneiden. Verbindet man zwei Teile, entsteht ein neues Teil mit demselben Präfix und demselben Suffix, das sich genauso weiterverwenden lässt, endlos.
Zwischen den beiden Teilen bleibt eine Narbe von 8 Basen, TACTAGAG: sie entsteht dort, wo das von SpeI geschnittene Ende an das von XbaI geschnittene bindet, und keines der beiden Enzyme erkennt sie noch. Die Grenze ist bekannt: bei Fusionsproteinen verschiebt die Narbe das Lesen des genetischen Codes, und dort nimmt man andere Standards.
Präfix GAATTCGCGGCCGCTTCTAGAG
GAATTC EcoRI
GCGGCCGC NotI
TCTAGA XbaI
Teil ... die Sequenz mit der Funktion ...
Suffix TACTAGTAGCGGCCGCTGCAG
ACTAGT SpeI
GCGGCCGC NotI
CTGCAG PstI
Narbe TACTAGAG 8 Basen zwischen zwei montierten Teilen| EcoRI | GAATTC | schneidet G^AATTC, im Präfix |
|---|---|---|
| XbaI | TCTAGA | schneidet T^CTAGA, im Präfix |
| SpeI | ACTAGT | schneidet A^CTAGT, im Suffix |
| PstI | CTGCAG | schneidet CTGCA^G, im Suffix |
| NotI | GCGGCCGC | im Präfix und im Suffix |
Eine Transkriptionseinheit
Damit eine Zelle ein Protein herstellt, braucht es vier Teile hintereinander auf der DNA. Die Zeichnung nutzt die Symbole des Standards SBOL Visual, dieselben in allen Laboren.
- 01
Promotor
Ein geknickter Pfeil: hier beginnt das Lesen des Gens. Er entscheidet, wann das Gen an ist und wie stark.
- 02
RBS
Eine Kuppel auf der DNA-Linie: die Stelle, an der das Ribosom andockt, das das Protein baut.
- 03
Kodierende Sequenz
Ein voller Pfeil: das Gen selbst, mit der Anleitung für das Protein.
- 04
Terminator
Ein T auf der Linie: hier hört das Lesen auf.
Wie man zwei Teile montiert
Die Methode, die das Registry von iGEM empfiehlt, heißt 3A assembly: drei verschiedene Antibiotika suchen die richtigen Konstrukte von selbst aus, ohne Gel und ohne PCR.
- 1Das linke Teil wird mit EcoRI und SpeI geschnitten.
- 2Das rechte Teil wird mit XbaI und PstI geschnitten.
- 3Das Zielplasmid, das gegen ein drittes Antibiotikum resistent ist, wird mit EcoRI und PstI geschnitten.
- 4Alles wird zusammen ligiert: das Ende von SpeI verbindet sich mit dem von XbaI und die Narbe entsteht.
- 5Man kultiviert mit dem dritten Antibiotikum: die richtigen Konstrukte überleben, theoretisch etwa 97%.
| Länge | 2070 Basenpaare | |
|---|---|---|
| Resistenz | Chloramphenicol | |
| Replikationsursprung | pMB1 | abgeleitet von pUC19 |
| Kopien pro Zelle | von 100 bis 300 | |
| Terminatoren | auf beiden Seiten des Teils | sie trennen es vom Rest des Plasmids |
Die Doppelhelix, im Maßstab
Die Zeichnung folgt den Maßen der B-DNA, der häufigsten Form in den Zellen. Die beiden Stränge liegen sich nicht gegenüber: deshalb öffnen sich zwischen ihnen eine große und eine kleine Furche.
| Basenpaare pro Windung | 10,5 | |
|---|---|---|
| Drehung pro Basenpaar | 34,3° | |
| Anstieg pro Basenpaar | 0,332 nm | |
| Ganghöhe der Helix | 3,32 nm | eine volle Windung |
| Durchmesser | 2 nm | |
| Große Furche | 2,2 nm | |
| Kleine Furche | 1,2 nm | |
| Drehsinn | rechtsgängig |
Die Zahlen im Diagramm
| DNA-Abschnitt | Länge |
|---|---|
| Eine Narbe (8 Basen) | 2,7 nm |
| Ein typisches Teil (1000 Basen) | 332 nm |
| Das Plasmid pSB1C3 (2070 Basen) | 687 nm |
Die Organoide
Ein Organoid ist eine Gruppe von Zellen eines Organs, die aus Stammzellen entsteht und sich selbst organisiert, wie im Körper. Die Definition stammt von Lancaster und Knoblich, in Science, 2014.
Ein Darmorganoid ist eine Zellschicht um einen Hohlraum, das Lumen. Nach außen wachsen Knospen, die die Krypten des Darms nachbilden, mit den Stammzellen und den Paneth-Zellen am Grund. Alte Zellen fallen ins Lumen, wie im echten Darm.
Es wächst nicht über ein paar Millimeter hinaus, weil es keine Blutgefäße hat: Sauerstoff kommt nur 100 bis 200 Mikrometer weit ins Gewebe, weiter innen sterben die Zellen.
Die Zahlen im Diagramm
| Maß | Größe |
|---|---|
| Sauerstoff ohne Gefäße (wie weit er ins Gewebe kommt) | von 100 bis 200 µm |
| Darmorganoid (typischer Durchmesser) | von 200 bis 500 µm |
| Hirnorganoid (die größten) | bis zu 4 mm |
Sie dienen dazu, Medikamente zu testen. In der Referenzstudie, mit Patientinnen und Patienten mit Tumoren im Magen-Darm-Trakt, hat die Reaktion der Organoide die der Patienten vorhergesagt. Am 10. April 2025 hat die amerikanische FDA einen Plan angekündigt, Tierversuche für einige Medikamente zu verringern und sie unter anderem durch Organoide zu ersetzen, in einem Zeitraum von 3 bis 5 Jahren.
Die Zahlen im Diagramm
| Maß | Wert |
|---|---|
| Sensitivität (die Medikamente, die wirken) | 100 % |
| Spezifität (die Medikamente, die nicht wirken) | 93 % |
| Positiver Vorhersagewert | 88 % |
| Negativer Vorhersagewert | 100 % |
Schaltungen in den Zellen
Ein genetisches Logikgatter ist ein kleines Netz von Genen. Der Eingang ist ein Molekül, zum Beispiel ein Medikament oder ein Gift, das einen Promotor an- oder ausschaltet; der Ausgang ist ein Protein. Mit Promotoren, die von verschiedenen Proteinen aktiviert oder unterdrückt werden, baut man AND, OR und NOT, wie in einem Computer.
2011 haben Kolonien von Escherichia coli als NOR-Gatter gearbeitet, verbunden durch chemische Signale. 2016 hat der Compiler Cello die Beschreibung einer Logikschaltung direkt in eine DNA-Sequenz übersetzt. Unser Ziel ist, diese Idee in ein Organoid zu bringen: eine Schaltung, die ein Medikament oder ein Gift erkennt und ein messbares Signal anschaltet.
iGEM
iGEM ist der internationale Wettbewerb der synthetischen Biologie. Er ist 2003 als Kurs am MIT entstanden; der erste Wettbewerb, 2004, hatte fünf Teams. Die Teile der Teams landen im Registry, einer öffentlichen Sammlung mit über 70.000 dokumentierten Teilen.
Seit 2022 findet das Finale, das Grand Jamboree, in Paris statt. Wir zielen auf die Ausgabe 2027, deren Datum noch nicht veröffentlicht ist.
Die Zahlen im Diagramm
| Jahr | Teams |
|---|---|
| 2023 (44 Länder) | 393 Teams |
| 2024 (41 Länder) | 397 Teams |
| 2025 (44 Länder) | 412 Teams |
Wo wir stehen
- April 2026Wir haben das Projekt im Palazzo della Borsa vorgestellt, vor Universitäten, Unternehmen und Institutionen.
- HeuteDas Team bringt Molekularbiologie, Bioinformatik, Informatik und Doktorandenforschung zusammen.
- 2027Wir zielen auf iGEM, den internationalen Wettbewerb der synthetischen Biologie: das Grand Jamboree, das seit 2022 in Paris stattfindet.
Fotos
Menschen im Projekt
Quellen
- iGEM Registry, BioBrick-Standard RFC 10 und 3A assembly: parts.igem.org.
- SBOL Visual 3.0: sbolstandard.org.
- Lancaster und Knoblich, Science, 2014; Sato und Kollegen, Nature, 2009.
- Vlachogiannis und Kollegen, Science, 2018.
- FDA, Ankündigung vom 10. April 2025 zu Tierversuchen.
- Tamsir, Tabor und Voigt, Nature, 2011; Nielsen und Kollegen, Science, 2016.
- iGEM, frühere Ausgaben: competition.igem.org.
- Präsentation beim Deep-Tech Showcase, Palazzo della Borsa, 21. April 2026.
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