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08.10.18  Nachahmung von Evolution oder intelligentes Design?

Nobelpreis 2018 für Chemie sorgt für irreführende Schlagzeilen

Der diesjährige Chemie-Nobelpreis wurde an drei Forscher vergeben, die bahnbrechende Erfolge mit „gerichteter Evolution“ erreicht haben. Der Begriff „gerichtete Evolution“ ist eigentlich ein Widerspruch in sich, da natürliche Evolution ungerichtet verläuft, wie von Evolutionstheoretikern selbst immer wieder betont wird. Auch wenn die (Wissenschafts-)Presse die Vergabe des Nobelpreises mit „Nachahmung von Evolution“ kommentiert, kann dies nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Wissenschaftler nur in einem eingeschränkten Sinne den evolutiven Mutations-Selektions-Mechanismus imitiert haben. Ihre Erfolge beruhen vor allem auf einer intelligenten, zielorientierten Herangehensweise. Der Vergleich mit natürlicher Evolution ist daher irreführend.

„Der diesjährige Chemie-Nobelpreis geht an drei Forscher, die die Prinzipien der biologischen Evolution für die Entwicklung neuer Enzyme und Antikörper nutzbar gemacht haben.“¹ So oder ähnlich wurde am 3. Oktober die Vergabe des Chemie-Nobelpreises an drei Forscher gemeldet. Frances H. Arnold, George P. Smith und Sir Gregory P. Winter haben Methoden entwickelt, die als „gerichtete Evolution“ bezeichnet werden. Manche Pressemeldungen dazu erweckten den Eindruck, als könnten funktionale Proteine von alleine durch natürliche Prozesse entstehen und die Forscher hätten diese Prozesse nur nachgeahmt und beschleunigt.²

Wie funktioniert „gerichtete Evolution“? Es geht darum, Proteine mit gewünschten Eigenschaften herzustellen bzw. zu optimieren (z. B. in Waschmitteln, in der Lebensmittelherstellung, in der Textilindustrie oder in der Tierernährung). Dazu werden bereits vorhandene, funktionale Proteine herangezogen und künstlich in großer Zahl mutiert und die gewünschten Mutanten ausgelesen. Die frisch gebackene Nobelpreisträgerin Frances Arnold ging dabei wie folgt vor: Sie isolierte ein proteinkodierendes Gen und produzierte eine große Menge an Mutanten in einem Reagenzglas mithilfe eines Enzyms, das das Gen kopiert. Für diesen Kopiervorgang wird durch Wahl des Enzyms und des Versuchsablaufs der ganze Prozess so angelegt, dass durch Kopierfehler Varianten des Gens entstehen. Die mutierten Genkopien werden in Bakterien integriert, welche die entsprechenden Proteinvarianten produzieren. Auf diese ausgeklügelte Weise werden die Mutationsrate und damit die Vielfalt der Proteinvarianten stark erhöht. Anschließend untersuchte die Forscherin die Funktion der so erzeugten verschiedenen Proteine. Diejenigen Varianten, die die gewünschte Funktion am besten erfüllten, wurden selektiert (ähnlich wie Evolution durch Selektion der Bestangepassten).

Dieser Prozess der Erzeugung von Varianten mit nachfolgender Selektion auf die gewünschte Funktion wurde mehrfach mit den jeweils am besten funktionierenden Genen des vorhergehenden Zyklus wiederholt. Die beste Proteinvariante wurde also ausgewählt und das entsprechende variierte Gen aus den Bakterien isoliert. Dann wurden mit dieser Genvariante mit derselben Prozedur erneut Mutationen in einem Reagenzglas erzeugt und eine große Menge an Mutanten der zweiten Generation produziert. Diese neuen Mutanten wurden wieder in Bakterien platziert, diese produzierten die neuen Proteinvarianten, die besten wurden wieder ausgelesen usw. Auf diese Weise wurden im Laufe vieler Generationen spezialisierte Proteine erzeugt. In manchen Fällen gelang es sogar, Proteine mit einer neuen Funktion zu erzeugen, wobei aber auch in diesen Fällen ein bereits existierendes Gen bzw. das entsprechende Genprodukt, das Protein, optimiert wurde.

Der Mutations- und Ausleseprozess ist es, der mit gewissen Einschränkungen mit natürlicher Evolution verglichen werden kann. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede. Die beiden wichtigsten sind: 1. Die Nachahmung der Evolution startet mit natürlich vorkommenden, bereits funktionalen Proteinen; diese werden nicht durch evolutive oder Evolutions-analoge Prozesse erzeugt, sondern aus Lebewesen entnommen. 2. Die Auslese erfolgt auf ein vorgegebenes Ziel hin. Genau das kann aber in der natürlichen Evolution nicht vorausgesetzt werden und wird dort sogar ausdrücklich bestritten. Bei der „gerichteten Evolution“ ist also anders als bei natürlicher Evolution Planung entscheidend im Spiel.

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass nur durch entsprechende Prozesssteuerung sehr hohe Mutationsraten, die dem 10.000- bis Million-fachen der natürlichen Rate entsprechen, eine genügend große Anzahl von Mutationen erzeugt werden kann, um unter diesen die seltenen (eine einzige unter einer Milliarde) positiven Mutanten zu finden. Außerdem muss ein schnelles und effektives Screening erfolgen, damit die seltenen positiven Mutanten erkannt und ausgelesen werden können. Nicht zuletzt funktioniert das Ganze nur mit sorgfältig ausgewählten Reaktionsbedingungen, dem intelligent ausgewählten Einsatz von gentechnischen Werkzeugen (Werkzeuge, die selbst intelligent gestaltet sind) und einer optimale Auswahl von Varianten für das gewünschte Ziel. Nicht umsonst wurde nun für diese bahnbrechenden Forschungen ein Nobelpreis vergeben und zwar sicher nicht dafür, dass nur ein an sich geist- und zielloser Prozess – natürliche Evolution – nachgeahmt wurde. Damit kommen wir zu einem weiteren Punkt.

Begriffliches Verwirrspiel. Der Begriff „gerichtete Evolution“ ist ein Widerspruch in sich (contradictio in adjecto), so wie zum Beispiel „hölzernes Eisen“ und täuscht etwas vor, das es gar nicht gibt. Denn mit Evolution (im stammesgeschichtlichen Sinne) ist ein Prozess gemeint, der ohne Zielvorgabe und Steuerung verläuft, eben ungerichtet. Das liegt daran, dass Mutationen ungerichtet sind, aber auch die Selektionsbedingungen keinem Ziel folgen und nicht geplant sind. Evolution kann aber nicht zugleich gerichtet und ungerichtet sein. Letztlich sind Proteine, die durch „gerichtete Evolution“ entstanden sind, durch intelligentes Design entwickelt worden, wobei der Mutationsprozess und zielorientierte Auslese intelligent eingesetzt werden. Nicht umsonst wird auch von „bioengineering“ gesprochen.

Mit dem Begriff „gerichtete Evolution“ soll ein Unterschied zum sogenannten „rationalem Design“ zum Ausdruck gebracht werden. Damit bezeichnet man die Strategie, gezielt Moleküle zu synthetisieren, auf der Basis der Kenntnisse über dieses Molekül. Auch „rationales Design“ impliziert einen Widerspruch in sich, da er suggeriert, es gebe auch „nichtrationales Design“; das aber wäre ebenfalls ein „hölzernes Eisen“ und widerspricht der üblichen Bedeutung von „Design“.

Grenzen gerichteter Evolution. Änderungen erfolgen nur, wenn einzelne Mutationen (seien sie künstlich erzeugt oder in der Natur auftretend) bereits einen Vorteil ermöglichen und daher ausgelesen werden können. Die Entstehung neuer Proteindomänen oder neuer Proteinfolds erfordert jedoch gemäß experimenteller Daten zahlreiche Änderungen gleichzeitig. Der Biochemiker Michael Behe hat in seinem Buch „The Edge of Evolution“ (Behe 2007) aufgrund von Forschungen zu E. coli-, Malaria- und HIV-Mutationen gezeigt, dass Änderungen auch in evolutionären Zeiträumen nicht zu erwarten sind, wenn nur drei (oder mehr) passende Zufallsmutationen gleichzeitig auftreten müssten.³ Wichtig ist also: Bei gerichteter Evolution geht es um Optimierung, nicht um Innovationen.

Tatsächlich können die Wissenschaftler mit gerichteter Evolution in Bezug auf Optimierung mehr erreichen als die Natur. Beispielsweise produzierte Arnold eine Variante eines proteinabbauenden Enzyms mit 10 Mutations- und Selektionszyklen, das in einem organischen Lösungsmittel mehr als 200 mal stabiler war als die natürliche Variante. Wissenschaftler können mehr erreichen als zukunftsblinde Evolution, weil sie sich für ein Ziel entscheiden: In der ersten Runde können sie ein mutiertes Gen mit z.B. zwei gleichzeitig auftretenden Mutationen erhalten. Wenn dieses neue Gen ausgewählt und mutiert wird, können zwei weitere Mutationen und damit insgesamt vier Mutationen im ursprünglichen Gen erhalten werden. Doch all das betrifft – um es nochmals zu betonen – die Optimierung einer bestehenden Struktur  bzw. eines funktionalen Proteins – nicht die Schaffung qualitativ neuer Strukturen oder Proteine.⁴

Dank. Ich danke Prof. Dr. Matti Leisola, der selbst auf dem Gebiet der Biotechnologie gearbeitet hat, und Dr. Harald Binder für wertvolle Hinweise. Matti Leisola hat ebenfalls eine Stellungnahme zur Vergabe des Nobelpreises verfasst: https://evolutionnews.org/2018/10/how-the-2018-nobel-laureates-in-chemistry-harnessed-intelligent-design/

Weitere Stellungnahme des Discovery-Instituts: https://evolutionnews.org/2018/10/its-not-evolution-a-nobel-prize-award-for-engineering-enzymes/

Anmerkungen

[1] https://www.wissenschaft.de/gesundheit-medizin/chemie-nobelpreis-fuer-gelenkte-evolution

[2] Z. B.: „Sie bauen die Natur im Schnelldurchlauf nach“ (https://www.zeit.de/wissen/2018-10/nobelpreis-in-chemie-fuer-proteinforscher-frances-arnold-george-smith-und-sir-gregory-winter); „die Prinzipien der biologischen Evolution für die Entwicklung neuer Enzyme … nutzbar gemacht“ (http://www.scinexx.de/newsletter-wissen-aktuell-23225-2018-10-04.html); „Demnach baut ihr Werk auf niemand Geringerem auf als auf Charles Darwin, dem Begründer der Evolutionstheorie“ (https://www.sueddeutsche.de/wissen/nobelpreis-fuer-chemie-so-kam-die-evolution-ins-reagenzglas-1.4154859)

[3] Vgl. Romero PH & Arnold FH (2009) Exploring Protein Fitness Landscapes by Directed Evolution. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10, 866-875. „Man muss sehr lange warten, bis vier oder fünf spezifische Mutationen auftreten, die eine gewünschte Funktion erfüllen. In einer Bakterienpopulation wie E. coli kann die Wartezeit auf vier Mutationen 10¹⁵ Jahre betragen, wenn man die global anzunehmenden Populationsgrößen zugrunde legt. (Das Universum ist nach üblicher Auffassung nur 10¹⁴ Jahre alt.)“ (in Übersetzung); siehe auch: Reeves MA, Gauger AK & Axe DD (2014) Enzyme families — Shared evolutionary history or shared design? A study of the GABA-aminotransferase family. BIO-Complexity 2014 (4):1−16.

[4] Mit den Möglichkeiten der Wissenschaftler im Vergleich zu natürlichen Vorgängen befassen sich B. Kozulik & M. Leisola im Artikel „Have Scientists Already Been Able to Surpass the Capabilities of Evolution?“ (http://vixra.org/abs/1504.0130). Sie schreiben im Vorwort: „Die im Titel dieser Arbeit gestellte Frage wird für manche Leser paradox, rätselhaft oder einfach dumm klingen. Sie werden denken: Wenn Wissenschaftler wie alle anderen lebenden Organismen das Produkt der Evolution sind, wie konnten sie dann ihre „Fähigkeiten“ überbieten, wenn wir doch nicht einmal in der Lage sind, einen einzigen wirklich neuen lebenden Organismus zu produzieren? Wie kann es wahr sein, dass die Wissenschaftler, nachdem sie nur eine kurze Strecke auf dem Weg zur Schaffung eines neuen lebenden Organismus zurückgelegt haben, bereits mehr als die Evolution leisten konnten? Und wenn eine Gruppe von Wissenschaftlern dies tatsächlich erreicht hat, wie kommt es dann, dass sie für ihren Publikationen keine Anerkennung für eine so große Leistung erhalten haben? Das Ziel dieses Artikels ist es, zu zeigen, dass die Antwort auf die Titelfrage „ja“ ist.“

Autor dieser News: Reinhard Junker, 08.10.18

 
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