Von Jon Fleetwood
„Massenlose Informationsübertragung“ genetischer Anweisungen „für die nationale Sicherheit“.
Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) verfolgt ein Biotechnologieprogramm, das die Erzeugung neuer DNA und RNA in lebenden Zellen unter ausschließlicher Verwendung von Licht als Input ermöglichen soll.
Das Programm mit dem Namen „Generative Optogenetics“ (GO) wird vom DARPA-Büro für Biotechnologie entwickelt.
In den Entwürfen der Ausschreibungsunterlagen, die auf SAM.gov veröffentlicht wurden, beschreibt die DARPA GO als ein Projekt, das den „massenlosen Informationstransfer“ genetischer Anweisungen ermöglichen und eine direkte Schnittstelle zwischen Computern und lebenden Zellen schaffen soll.
Die Technologie wirft neue Fragen darüber auf, wie sie als Waffe eingesetzt werden könnte.
Eine solche Fähigkeit – die es ermöglicht, genetische Anweisungen aus der Ferne zu übertragen, in Zellen zu schreiben und auszuführen, ohne physisches genetisches Material zu liefern – entspricht den Eigenschaften, die historisch mit biologischen Technologien mit doppeltem Verwendungszweck in Verbindung gebracht werden, die auf ihre potenzielle militärische Verwertbarkeit hin untersucht wurden.
Könnte Licht als Liefermechanismus eingesetzt werden, um die molekulare oder genetische Biologie des Menschen ohne physischen Kontakt zu beeinflussen?
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Gensequenzen schreiben, ohne genetisches Material zu übertragen
Die DARPA erklärt, dass bestehende biologische Systeme durch ihre Abhängigkeit von physischen genetischen Vorlagen und Übertragungsmechanismen eingeschränkt sind.
„Es gibt keine Technologie, die eine masselose Informationsübertragung ermöglicht, um genetische Anweisungen an lebende Zellen weiterzugeben.“
Nach Angaben der Behörde soll GO diese Einschränkung beseitigen, indem genetische Informationen optisch übertragen und intern von der Zelle synthetisiert werden können.
„GO hat sich zum Ziel gesetzt, eine molekulare Maschine zu entwickeln, die in lebenden Zellen exprimiert werden kann und einen Mechanismus bereitstellt, um genetische Informationen, die masselos über optische Signale übertragen werden, in Nukleinsäuresequenzen (DNA und/oder RNA) umzuwandeln.“
Die DARPA erklärt weiter, dass diese Fähigkeit Folgendes bewirken würde:
„Eine direkte Schnittstelle zwischen Computern, die zur Gestaltung genetischer Sequenzen verwendet werden, und lebenden Zellen, die diese Sequenzen verarbeiten.“
DNA und RNA ohne vorbestehende Vorlage
Das GO-Programm zielt ausdrücklich auf die vorlagenfreie Synthese ab, eine Fähigkeit, die laut DARPA in der natürlichen Zellbiologie nicht existiert.
„Keiner dieser Prozesse ist zu einer De-novo-Synthese fähig, da sie alle eine Nukleinsäure-Matrize benötigen.“
GO versucht, diese Anforderung zu umgehen:
„GO zielt darauf ab, die Kernkompetenz des NAC für die templatfreie DNA- oder RNA-Synthese so weiterzuentwickeln, dass optische Eingaben die Sequenz der vom NAC in einer lebenden Zelle produzierten Nukleinsäure bestimmen.“
Dieser Ansatz würde es Zellen ermöglichen, genetische Sequenzen zu synthetisieren, ohne vorhandene DNA oder RNA zu kopieren und ohne genetisches Material von außerhalb der Zelle zu erhalten.
Ein „Nukleinsäure-Compiler“ in lebenden Zellen
Die DARPA bezeichnet das Kernsystem als Nukleinsäure-Compiler (NAC).
„Das DARPA GO-Programm zielt darauf ab, einen Proteinkomplex zu entwickeln, der hier als Nukleinsäure-Compiler (NAC) bezeichnet wird und in lebenden Zellen exprimiert werden kann.“
Der erklärte Zweck des NAC besteht darin, einem Endbenutzer Folgendes zu ermöglichen:
„Programmieren Sie genetische Anweisungen in diese Zellen, ohne Vorlage, indem Sie ausschließlich Licht verwenden, um die genetische Information auf die Zellen zu übertragen.“
Die DARPA beschreibt dies als eine Möglichkeit, genetische Programmierung mit Eigenschaften zu ermöglichen, die typischerweise mit digitalen Systemen assoziiert werden.
Einzelzellauflösung und sequentielles genetisches Umschreiben
Laut DARPA sollen GO-Technologien mit einer fein abgestimmten Kontrolle darüber arbeiten, wo und wann genetische Anweisungen geschrieben werden.
„Die auf GO entwickelte Technologie ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über das Verhalten von Zellen, indem sie die genetische Programmierung mit räumlicher Auflösung auf Einzelzellniveau, zeitliche Präzision zur sequenziellen Übermittlung unterschiedlicher Botschaften an eine Zelle und die ferngesteuerte, skalierbare Verbreitung genetischer Anweisungen erleichtert.“
Die DARPA verlangt außerdem, dass die im Rahmen von GO entwickelten Systeme in der Lage sind, wiederholt neue genetische Sequenzen in dieselbe Zelle zu schreiben.
„Erfolgreiche Technologien, die auf GO entwickelt wurden, sollten die sequenzielle Übertragung mehrerer genetischer Sequenzen mit kurzer Latenz an dieselbe Zelle ermöglichen.“
Das Programm legt ein Reset-Fenster fest:
„Weniger als 1 Stunde zum Zurücksetzen des GO-Systems zwischen Schreibvorgängen.“
In vivo geschriebene vollständige Gen-Sequenzen
Die Meilensteine der DARPA erfordern die Synthese vollständiger, funktionsfähiger Gensequenzen in lebenden Zellen.
„Letztendlich werden GO-Performer ein NAC entwickeln und demonstrieren, das in der Lage ist, vollständige Nukleinsäuresequenzen zwischen 3 und 6 kb in vivo (d. h. innerhalb einer lebenden Zelle) zu synthetisieren.“
Die DARPA legt fest, dass diese Sequenzen in der Lage sein müssen, das Zellverhalten zu beeinflussen:
„Lange, kodierende Nukleinsäuresequenzen, die zur Modulation der Zellfunktion dienen.“
Fehlerbehebung ist optional
Trotz der Komplexität und Länge der Sequenzen verlangt DARPA keine Fehlerkorrektur als Grundvoraussetzung.
„Forschungsziel 2 (RO2): Fehlerbehebung – OPTIONAL.“
DARPA räumt ein, dass die Fehlerquote mit zunehmender Sequenzlänge steigt:
„Durch die Verlängerung der Sequenz steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die synthetischen Sequenzen Fehler enthalten.“
Die Agentur weist darauf hin, dass der durch die Fehlerfilterung verursachte Ertragsrückgang durch eine Erhöhung der Expressionsniveaus des Systems ausgeglichen werden kann.
„Jeder Ertragsrückgang könnte durch eine Erhöhung des Expressionsniveaus von NAC-Proteinen im Zellgerüst ausgeglichen werden.“
Rahmenbedingungen und Einsatzkontext im Bereich der nationalen Sicherheit
Die DARPA ordnet GO eher in einen nationalen Sicherheitsrahmen ein als in einen rein biomedizinischen Rahmen.
„Synthetische DNA und RNA sind essentielle Moleküle für Technologien, die sich mit kritischen globalen und nationalen Sicherheitsherausforderungen befassen.“
Die Behörde nennt auch Einsatzumgebungen, in denen die physische Lieferung biologischer Materialien als unpraktisch angesehen wird.
„Geringere Abhängigkeit von anfälligen Lieferketten, die für den Fernverkehr unhaltbar werden.“
GO wird als eine Technologie beschrieben, die es ermöglicht, genetische Fähigkeiten zu übertragen, anstatt sie zu transportieren.
Fazit
Das Generative Optogenetics-Programm der DARPA beschreibt ein System, in dem genetische Sequenzen digital entworfen, optisch übertragen und in lebenden Zellen synthetisiert werden, ohne dass DNA oder RNA zugeführt werden müssen.
Das Programm wird im Rahmen eines nationalen Sicherheitsmandats entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Fernsteuerung, Skalierbarkeit und geringerer Abhängigkeit von physischer Logistik liegt.
In den Dokumenten der DARPA wird GO als eine nationale Sicherheitsfunktion zur Fernübertragung und Ausführung genetischer Anweisungen in lebenden Zellen beschrieben, eine Technologieklasse, die traditionell in Diskussionen über biologische Risiken mit doppeltem Verwendungszweck behandelt wird.
