Aussterben verhindern: Digitale Labortechnik unterstützt ein Mammutprojekt

Um verloren gegangene Arten wiederzufinden, bedarf es wissenschaftlicher Pionierarbeit - und der Instrumente, um riesige Mengen an Genomdaten zu nutzen.

Der Schutz von Wildtieren konzentriert sich traditionell darauf, Arten zu schützen, bevor sie verschwinden, aber die Fortschritte in der Genom-Editierungstechnologie werfen bisher unvorstellbare Fragen auf. An erster Stelle steht die Frage: Gibt es einen Weg zurück vom Aussterben? Und wenn ja, könnten angeschlagene Ökosysteme mit längst ausgestorbenen Tieren wieder "verwildert" werden?

Im Jahr 2021 gründeten der Unternehmer Ben Lamm und der weltbekannte Harvard-Genetiker George Church das Unternehmen Colossal Biosciences mit dem kühnen Plan, mithilfe von Churchs bahnbrechenden gentechnischen Verfahren Tiere zu schaffen, die dem Wollhaarmammut sehr ähnlich sind. Bis Januar 2023 hatte Colossal $225 Millionen an Risikokapital eingeworben und seine Mission auf die Wiedereinführung des Thylacine - allgemein als tasmanischer Tiger bekannt - und des Dodo erweitert.

"Unser Ziel ist es, eine durchgängige wissenschaftliche Pipeline für die Ausrottung von Arten aufzubauen", sagt Eriona Hysolli, Leiterin der Biologieabteilung von Colossal und Leiterin des Wollhaarmammut-Projekts. "Die Menschen beginnen zu erkennen, wie wertvoll die Gentechnologie für das Instrumentarium des Naturschutzes sein kann.

Gigantische Unternehmungen

Das Konzept von Colossal, das Church 2013 in einem TEDx-Vortrag erstmals öffentlich vorstellte, besteht darin, die Gene des nächsten genetischen Verwandten des Mammuts, des Asiatischen Elefanten, umzuschreiben, um kritische Elemente einzubauen, die aus der Analyse alter Mammut-DNA gewonnen wurden - zum Beispiel Fettablagerungen, zotteliges Haar, kleine Ohren, zirkadiane Biologie und andere Merkmale, die mit der Widerstandsfähigkeit gegen kaltes Wetter zusammenhängen. Die neue hybride Art könnte in Tundra-Ökosystemen wieder angesiedelt werden, wo die Forscher glauben, dass ihre schweren Fußspuren das Eindringen von Kälte in den Permafrost verbessern würden, um dessen Schmelzen zu verhindern, und den Übergang von einem langsam zyklischen Tundra- zu einem schnell zyklischen Grasland-Ökosystem unterstützen würden.

Anfänglich zeigten die Förderorganisationen wenig Begeisterung für die De-Extinktionsforschung in Churchs Labor. Eine Person, die sich jedoch dafür interessierte, war Hysolli, ein Stammzellenexperte, der 2015 als Postdoktorand in das Labor kam.

"Damals las ich gerade das Buch Neanderthal Man von Svante Pääbo und war fasziniert von der Reise, die zur Sequenzierung alter DNA nötig war", erinnert sie sich. "George wird in diesem Buch erwähnt, weil er nicht nur über die Sequenzierung einer Art nachdachte, sondern auch darüber, wie ihre Rückkehr ein ganzes Ökosystem wiederherstellen kann.

Nach Erfolgen wie dem verbesserten Multiplex-Base-Editing von Säugetierzellen - einer Technik, bei der mit Hilfe von Enzymen wie CRISPR-Cas-Systemen mehrere Teile eines Genoms gleichzeitig umgeschrieben werden - ergriff Hysolli die Gelegenheit, als erster Biologe bei Colossal einzusteigen.

"Wir betreiben so bahnbrechende Forschung und unsere Arbeitsabläufe sind sehr einzigartig, so dass man sich immer noch wie in einem Labor fühlt", sagt sie. "Die De-Extinction umfasst viele Bereiche, in denen man Fachwissen und neue Technologien entwickeln muss, daher hat man bei Colossal immer noch das Gefühl von Grundlagenforschung."

Schnell bewegen und (nicht) alles kaputt machen

Unmittelbar nach ihrem Eintritt in das Start-up-Unternehmen sah sich Hysolli mit den Herausforderungen konfrontiert, ein Team zusammenzustellen und Protokolle für das Wollhaarmammut-Projekt zu entwickeln. Während sie im Labor der Kirche an die traditionellen Methoden der Aufzeichnung mit Stift und Papier gewöhnt war, erforderte dieses neue Projekt einen digitalen Ansatz.

"Wenn man ein Team schnell aufbauen will, muss man in der Lage sein, experimentelle Daten sofort auszutauschen", sagt Hysolli. "Eines der ersten Dinge, die wir taten, war die Zusammenarbeit mit einem Anbieter von elektronischen Laborjournalen. Das ermöglicht den Wissensaustausch, nicht nur innerhalb meines Teams, sondern auch teamübergreifend. Es ist einfach, sich das Experiment anzusehen und das Ergebnis herunterzuladen."

Nachdem 2015 und 2021 mehrere nahezu vollständige Genome des Wollhaarmammuts sequenziert wurden, haben Hysolli und ihre Kollegen einen Großteil ihrer Aufmerksamkeit auf die Big-Data-Analyse des Asiatischen Elefanten gerichtet. Im Juli 2022 gaben Colossal und das Vertebrate Genomes Project bekannt, dass sie das Genom des Asiatischen Elefanten erfolgreich auf Referenzgenomebene sequenziert und zusammengesetzt haben - das erste seiner Art für Elefanten.

"Labore schaffen Datenspeicher", sagt Zareh Zurabyan, Spezialist für digitale Laborstrategie und Leiter von eLabNext America, dessen Technologie die Daten und Arbeitsabläufe von Colossal verwaltet. "Es gibt unzählige Datensätze von mehreren Instrumenten, Experimenten, viele Formen von Dateianhängen und Proben mit Tausenden von Metadatenfeldern. Dies ist das perfekte Ökosystem für den Einsatz von maschinellem und tiefem Lernen und KI, nicht nur für die tiefe Datenanalyse, sondern auch für die Definition der Forschungs- und Geschäftsstrategie des Unternehmens, so dass die Arbeit in Echtzeit neu ausgerichtet werden kann."

Erwin Seinen, Mitbegründer von eLabNext, sieht einen Trend zu multidisziplinären Unternehmen, die modernste KI/ML-Techniken nahtlos mit der traditionellen Arbeit im Nasslabor verbinden. "Dieser Ansatz wird zur Norm für Biotech-Startups und etablierte Unternehmen gleichermaßen", 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 Macht des maschinellen Lernens und der Datenanalyse genutzt wird, um Innovationen in den Biowissenschaften voranzutreiben."

Form folgt Funktion

Hysolli merkt an, dass das Wertversprechen für Colossal-Investoren nicht nur in der Ausrottung von Tieren liegt, sondern in der breiteren Entwicklung neuer Werkzeuge für Biologen, vom Zell-Engineering und der Reprogrammierung bis hin zur Schwangerschaftstechnologie. "Wir stoßen wirklich an die Grenzen der Biologie von Säugetieren, Beuteltieren und Vögeln, und diese Technologien gehen über das Aussterben hinaus", sagt sie.

Im September 2022 kündigte Colossal seine erste Ausgründung an, eine computergestützte Biologieplattform namens Form Bio, die das Unternehmen zur Verwaltung seiner De-Extinktions-Pipelines entwickelt hat. Mit einer Risikokapitalfinanzierung in Höhe von $30 Millionen zielt das neue unabhängige Softwareunternehmen darauf ab, umständliche, codelastige Prozesse durch eine zugängliche Schnittstelle zu 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 nutzen es auch für Rechenleistung und Speicherplatz, und wenn wir unsere eigenen Analysen durchführen wollen, verfügen viele Workflows über integrierte KI-Funktionen.

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

Schützen und bewahren

Hysolli hebt die kontinuierliche Arbeit von Colossal hervor, um die Bemühungen zum Schutz der Elefanten voranzutreiben, einschließlich der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden und eines Impfstoffs gegen das endotheliotrope Herpesvirus der Elefanten. Außerdem sollen Referenzgenome des afrikanischen Savannenelefanten und des Waldelefanten erstellt werden.

"Was wäre, wenn diese Elefanten in ein paar Jahren verschwinden würden, man aber noch nicht damit begonnen hätte, die Embryologie und die Technologien für die assistierte Reproduktion zu entwickeln, um sie wieder zurückzubringen - die gleichen Werkzeuge, die wir für unsere Arbeit zur Eindämmung des Aussterbens benötigen", fragt Hysolli. "Wir haben die Mittel, um Biodiversität in einer Schale zu erzeugen, aber mit noch mehr sequenzierten und konservierten Proben kann man ganze Populationen wiederherstellen, nicht nur einzelne Tiere."

Hysolli betont, dass es für Colossal von entscheidender Bedeutung ist, mit der Öffentlichkeit offen über die Ziele - und Daten - der Ausrottung zu sprechen.

"Wir versuchen, unsere Arbeitsabläufe so zu skalieren, dass die Erhaltung von Arten leicht möglich ist", sagt sie. "Wir setzen uns für die Wiederherstellung unseres natürlichen Erbes ein und arbeiten mit den Interessengruppen zusammen, denn wenn man Modelle für die Wiederbelebung von Ökosystemen entwickelt, muss dies transparent und ethisch vertretbar geschehen.

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