Aussterben: Digitale Labortechnik unterstützt ein Mammutprojekt

Um verlorene Arten zurückzubringen, bedarf es wissenschaftlicher Pionierarbeit — und der Werkzeuge, um riesige Mengen an Genomdaten zu nutzen.

Der Artenschutz hat sich traditionell darauf konzentriert, Arten zu schützen, bevor sie verschwinden, aber Fortschritte in der Genom-Editing-Technologie werfen bisher unvorstellbare Fragen auf. Allen voran: Gibt es einen Weg zurück vor dem Aussterben? Und wenn ja, könnten in Schwierigkeiten geratene Ökosysteme mit längst ausgestorbenen Tieren „wiederverwildert“ werden?

2021 gründeten der Unternehmer Ben Lamm und der weltberühmte Harvard-Genetiker George Church Colossal Biosciences mit dem kühnen Plan, mithilfe der bahnbrechenden gentechnischen Techniken von Church Tiere zu züchten, die Wollmammuts sehr ähnlich sind. Im Januar 2023 hatte Colossal 225 Millionen US-Dollar an Risikokapital eingeworben und seine Mission um die Wiedereinführung des Beuteltiers — allgemein bekannt als der tasmanische Tiger — und des Dodos erweitert.

„Unser Ziel ist es, eine umfassende wissenschaftliche Pipeline zur Bekämpfung des Aussterbens aufzubauen“, sagt Eriona Hysolli, die die Biologieabteilung von Colossal leitet und das Wolly Mammut-Projekt leitet. „Die Menschen beginnen zu erkennen, wie wertvoll Gentechnologien für den Naturschutz sein können.“

Mammutprojekte

Das Konzept hinter Colossal, das Church erstmals 2013 in einem TEDx-Vortrag öffentlich skizziert hat, dreht sich darum, die Gene des engsten genetischen Verwandten des Mammuts, des asiatischen Elefanten, neu zu schreiben, um wichtige Elemente einzubeziehen, die aus der Analyse alter Mammut-DNA gewonnen wurden — Fettablagerungen, struppiges Haar, kleine Ohren, zirkadiane Biologie und andere Merkmale, die mit der Winterhärte zusammenhängen, zum Beispiel. Die neuen Hybridarten könnten wieder in die Tundra-Ökosysteme eingeführt werden, wo Forscher glauben, dass ihre schweren Fußabdrücke das Eindringen von Kälte in den Permafrost verbessern würden, um dessen Abschmelzen zu verhindern, und den Wandel von einer langsam zyklischen Tundra zu einem schnell zyklischen Graslandökosystem unterstützen würden.

Anfänglich zeigten sich die Förderorganisationen wenig begeistert von der Erforschung der Ausrottung, die im Labor der Kirche stattfindet. Eine Person, die sich dafür interessierte, war Hysolli, ein Stammzellexperte, der 2015 als Postdoktorand in das Labor eintrat.

„Zu der Zeit las ich Neanderthal Man von Svante Pääbo und war fasziniert von der Reise, die nötig war, um uralte DNA zu sequenzieren“, erinnert sie sich. „George wird in dem Buch erwähnt, weil er nicht nur an die Sequenzierung einer Spezies dachte, sondern auch daran, wie durch ihre Rückkehr ein ganzes Ökosystem wiederhergestellt werden kann.“

Nach Erfolgen wie der verbesserten Multiplex-Basenbearbeitung von Säugetierzellen — einer Technik, bei der künstliche Enzyme wie CRISPR-Cas-Systeme verwendet werden, um mehrere Teile eines Genoms gleichzeitig neu zu kodieren — ergriff Hysolli die Gelegenheit, als erster Biologe bei Colossal einzusteigen.

„Wir forschen so bahnbrechend und unsere Arbeitsabläufe sind sehr einzigartig, sodass es sich immer noch wie in einem Labor anfühlt“, sagt sie. „De-Extinction umfasst viele Bereiche, in denen man Fachwissen und neue Technologien entwickeln muss. Deshalb gibt es bei Colossal immer noch das Gefühl der Grundlagenforschung.“

Bewege dich schnell und mach (nicht) Dinge kaputt

Unmittelbar nach seinem Eintritt in das Start-up stand Hysolli vor der Herausforderung, ein Team zusammenzustellen und Protokolle für das wollige Mammutprojekt zu entwickeln. Im Labor der Kirche war sie zwar an die traditionellen Methoden der Buchführung mit Stift und Papier gewöhnt, doch für dieses neue Projekt war ein digitaler Ansatz erforderlich.

„Wenn man schnell ein Team aufbauen will, muss man in der Lage sein, experimentelle Daten sofort auszutauschen“, sagt Hysolli. „Eines der ersten Dinge, die wir getan haben, war eine Partnerschaft mit einem Anbieter von elektronischen Labornotizbüchern einzugehen. Es ermöglicht den Wissensfluss, nicht nur innerhalb meines Teams, sondern teamübergreifend. Es ist einfach, sich das Experiment anzusehen und das Ergebnis herunterzuladen.“

Nachdem 2015 und 2021 mehrere nahezu vollständige Genome des Wollmammuts sequenziert wurden, haben Hysolli und ihre Kollegen einen Großteil ihrer Aufmerksamkeit der Big-Data-Analytik des asiatischen Elefanten zugewandt. Im Juli 2022 gaben Colossal und das Vertebrate Genomes Project bekannt, dass sie das asiatische Elefantengenom erfolgreich sequenziert und auf Referenzgenomebene zusammengesetzt haben — das erste seiner Art für Elefanten.

„Labore schaffen Datenseen“, sagt Zareh Zurabyan, Spezialist für digitale Laborstrategien und Leiter von eLabNext America, dessen Technologie die Daten und Workflows von Colossal verwaltet. „Es gibt unzählige Datensätze von mehreren Instrumenten, Experimenten, viele Arten von Dateianhängen und Beispiele mit Tausenden von Metadatenfeldern. Dies ist das perfekte Ökosystem für den Einsatz von maschinellem Lernen, Deep Learning und KI, nicht nur für tiefgründige Datenanalysen, sondern auch für die Definition der Forschungs- und Geschäftsstrategie des Unternehmens, sodass Sie Ihre Arbeit in Echtzeit neu konzentrieren können.“

Der Mitbegründer von eLabNext, Erwin Seinen, sieht einen Trend zu multidisziplinären Unternehmen, die modernste KI/ML-Techniken nahtlos mit traditioneller Arbeit im Nasslabor verbinden. „Dieser Ansatz wird sowohl für Biotech-Startups als auch für etablierte Unternehmen zur Norm“, sagt er. „Colossal ist ein Beispiel für die Synergie zwischen diesen beiden Bereichen. Das Ergebnis wird eine neue Ära wissenschaftlicher Entdeckungen sein, in der die Möglichkeiten des maschinellen Lernens und der Datenanalyse genutzt werden, um Innovationen in den Biowissenschaften voranzutreiben.“

Form folgt Funktion

Hysolli stellt fest, dass das Wertversprechen für Colossal-Investoren nicht nur in der Ausrottung besteht, sondern auch in der umfassenderen Entwicklung neuer Tools für Biologen, von der Zelltechnik über die Reprogrammierung bis hin zur Gestationstechnologie. „Wir gehen wirklich an die Grenzen der Säugetier-, Beuteltier- und Vogelbiologie, und diese Technologien reichen weit über das Aussterben hinaus“, sagt sie.

Im September 2022 kündigte Colossal sein erstes Spin-off an, eine computergestützte Biologieplattform namens Form Bio, die das Unternehmen zur Verwaltung seiner Pipelines zur Bekämpfung des Aussterbens entwickelte. Mit Risikokapital in Höhe von 30 Millionen US-Dollar will das neue unabhängige Softwareunternehmen umständliche, codelastige Prozesse durch eine leicht zugängliche Oberfläche ersetzen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Bioinformatik einfach durchzuführen.

„Form Bio führt für uns maßgeschneiderte Genomanalysen durch, insbesondere in Bezug auf DNA- und Merkmalsbeziehungen“, erklärt Hysolli. „Es dient als unsere alte DNA-Datenbank. Wir verwenden es auch für Rechenleistung und Speicherplatz. Wenn wir unsere eigenen Analysen durchführen möchten, verfügen viele Workflows über integrierte KI-Funktionen.

„Da unsere Datenergebnisse über die Plattform von eLabNext zentralisiert sind, sind sie für die KI- und Machine-Learning-Teams leicht zugänglich. Wir generieren so viele Daten, und das ist alles ungenutztes Potenzial.“

Schützen und konservieren

Hysolli hebt die kontinuierliche Arbeit von Colossal hervor, die Bemühungen zum Schutz von Elefanten voranzutreiben, einschließlich der Entwicklung neuartiger Behandlungsmethoden und eines Impfstoffs zur Vorbeugung des endotheliotropen Herpesvirus bei Elefanten. Außerdem ist geplant, Referenzgenome des afrikanischen Savannenelefanten und des Waldelefanten zu erstellen.

„Was wäre, wenn diese Elefanten in ein paar Jahren verschwinden würden, Sie aber nicht damit begonnen hätten, die Embryologie- und assistierten Reproduktionstechnologien zu entwickeln, um sie zurückzubringen — dieselben Werkzeuge, die wir für unsere Bekämpfung des Aussterbens benötigen?“ fragt Hysolli. „Wir haben die Werkzeuge, um Biodiversität in einer Schale zu erzeugen, aber wenn noch mehr Proben sequenziert und konserviert werden, können ganze Populationen wiederhergestellt werden und nicht einzelne.“

Für Colossal ist es von entscheidender Bedeutung, gegenüber der Öffentlichkeit offen zu bleiben, was die Ziele — und Daten — des Aussterbens angeht, betont Hysolli.

„Wir versuchen, unsere Arbeitsabläufe so zu skalieren, dass der Artenschutz einfach möglich ist“, sagt sie. „Wir setzen uns für die Wiederherstellung unseres Naturerbes ein und arbeiten mit Interessenvertretern zusammen, denn wenn man Modelle für die Wiederverwilderung von Ökosystemen entwickelt, muss das auf transparente und ethische Weise geschehen.“

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