Im Bereich der synthetischen Biologie, der Wissenschaft der Manipulation der Biologie, gibt es viele „Köche in der Küche“, was einerseits zu ihrem Erfolg beigetragen hat, andererseits aber auch die Erstellung eines zusammenhängenden, einheitlichen Lehrplans für Studierende aller Studienstufen ungewöhnlich schwierig machte. Jede beteiligte Disziplin – von der chemischen Verfahrenstechnik bis zur Ethik – hat einen einzigartigen Lehr- und Literaturansatz, was zu Inkonsistenzen zwischen dem führt, was Wissenschaftler lernen.
Nun schlagen Forscher der Northwestern University eine neue Methode zur Vermittlung synthetischer Biologie vor, die verschiedene Organisationsebenen nutzt – angefangen auf der molekularen Ebene bis hin zur gesellschaftlichen Ebene – um Kernprinzipien und eine ganzheitliche Sicht auf die Entwicklung nachhaltiger synthetischer Biologietechnologien zu vermitteln. Der Ansatz umfasst Komponenten aus vielen Disziplinen und ermöglicht es Menschen mit unterschiedlichem Hintergrund, eine Ausbildung in synthetischer Biologie zu erhalten.
Ein Dokument, das die Rahmenbedingungen detailliert beschreibt, ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
„Früheren Versionen von Kursen zur synthetischen Biologie fehlte eine konzeptionelle Grundlage“, sagte Julius Lucks, Experte für synthetische Biologie und Hauptautor. „Aus pädagogischer Sicht sah man je nach Fachbereich eine Art Sammelsurium. Wir stellten uns der Herausforderung, herauszufinden: Wie kann man all diese Disziplinen zusammenführen, irgendwie einen gemeinsamen Rahmen entwickeln und eine gemeinsame Sprache schaffen?“
Lucks ist Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Co-Direktor des Center for Synthetic Biology (CSB).
Mit dem Aufkommen der Gentechnik in den 1970er Jahren wurde die Idee möglich, biologische Systeme wiederzuverwenden, umzufunktionieren und neu zu konfigurieren, um gesellschaftliche Herausforderungen zu bewältigen – der Kern der synthetischen Biologie. Mit der Einführung von CRISPR um 1990 wurde die synthetische Biologie populär, stand aber ohne einen entsprechenden Lehrplan vor einem Identitätsproblem.
„Eines der größten Probleme, das wir bei unseren Studenten und in unseren Laboren beobachtet haben, ist, dass sie dazu neigen, sich auf ein sehr spezifisches Problem zu konzentrieren“, sagte Ashty Karim, wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern University und Erstautor der Studie.
„Wenn Sie sich beispielsweise damit beschäftigen, wie CRISPR funktioniert, untersuchen Sie möglicherweise die lokalisierte Proteinmaschinerie, die Änderungen an der DNA vornimmt. Wenn Sie jedoch eine Technologie auf der Grundlage von CRISPR entwickeln möchten, gibt es viele andere wichtige Aspekte als die Funktionsweise auf molekularer Ebene. Wie funktioniert es im Kontext einer Zelle oder einer Zellpopulation im Körper einer Person in verschiedenen Geweben? Wie interagiert dies mit den aktuellen Gesundheitssystemen? Dies sind Diskussionen, die wir führen müssen und die unsere Wissenschaft beeinflussen könnten.“
Karim ist Forschungsleiter am CSB und ein Kernmitglied der Fakultät.
Daraus entstand die Idee, die Biologie in Skalen zu unterteilen. Sie entstand ursprünglich aus einem Gespräch darüber, dass die meisten Einführungskurse in Biologie ein Kontinuum darstellen, das von der DNA über das Gewebe zum Organismus führt. Es entstehen Verhaltensweisen, die auf verschiedenen Organisationsebenen auftreten; die Gesellschaft verhält sich anders als ein Organismus und so weiter. Die synthetische Biologie kann laut dem Artikel in fünf Komponenten unterteilt werden: molekular, Schaltkreis/Netzwerk, zellulär, biologische Gemeinschaften und gesellschaftlich.
Der Schlüssel zum vorgeschlagenen Rahmen liegt darin, dass auf jeder Ebene eine solide Ethik vorhanden ist.
Durch die Erprobung des Lehrplans mit Bachelor- und Masterstudenten an der Northwestern University stellten die Autoren fest, dass sich verschiedene Kernprinzipien wie Thermodynamik und Kinetik auf natürliche Weise auf unterschiedliche Skalen übertragen lassen. Muss man beispielsweise ein Prinzip immer verstehen? Oder kann man es bis zu einem bestimmten Maßstab „ignorieren“?
Der Lehrplan sollte auch durch Fallstudien untermauert werden, die den Lernenden helfen zu analysieren, wie sich technische Entscheidungen auf einer Ebene auf biologische Funktionen auf einer anderen Ebene auswirken, mögliche Lösungen für globale Herausforderungen auf verschiedenen Ebenen zusammenzustellen und die Auswirkungen der synthetischen Biologie auf gesellschaftliche Ziele und ethische Fragen zu identifizieren. Fallstudien können auch auf die Institution oder den Dozenten zugeschnitten werden, die den Lehrplan umsetzen.
Die Präsentation des Ansatzes im Unterricht war laut Lucks und Karim ein großer Erfolg. Beide sagten, dass es bei den Studenten schon beim ersten Mal „Klick“ gemacht habe, als sie den Kurs unterrichteten. Das Skalenkonzept war so erfolgreich, dass das Northwestern Center for Synthetic Biology es tatsächlich zur Organisation seiner hochmodernen gemeinsamen Forschungsarbeit nutzt.
Die Forscher hoffen außerdem, dass der Lehrplan viel breiter umgesetzt werden kann, und haben Ressourcen und Ideen bereitgestellt, die andere nutzen können, um den Ansatz an ihre Bedürfnisse und Interessen anzupassen.
Mehr Informationen:
Ashty S. Karim et al., Dekonstruktion der synthetischen Biologie über verschiedene Maßstäbe hinweg: ein konzeptioneller Ansatz für die Ausbildung synthetischer Biologen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49626-x