Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 


Creating a Parallel Biological World with a Genetic Firewall

Breaking new ground in whole-cell catalysis using artificial bacteria

In the UniCat Cluster of Excellence (Unifying Concepts in Catalysis) in Berlin, a new concept is being developed by biochemist Nediljko Budisa in collaboration with French biologist Philippe Marlière that aims to equip industrial bacteria for new catalytic functions. They call this new technique „codon emancipation“.

At the same time a genetic firewall is established, making the bacteria dependent on a special growth medium. This means that they cannot survive in a natural set-ting, making the transfer of genes into the environment impossible.

Budisa and Marlière hope to replace old-fashioned natural chemistry with a new type of science. This development is to be achieved through the directed evolution of more natural, faster-growing bacteria in a test tube. “These cells are, in a manner of speaking, in a parallel world,” explains Budisa. They cannot exchange their genetic information with other creatures; they are equipped with a genetic firewall.”

At the start of the process the bacteria will in fact grow very badly in the synthetic growth medium with the non-natural amino acids. But by cultivating them for several generations, they will eventually become „codon emancipated”. „Codon emancipation” offers the possibility of providing living systems with new chemistry. On the one hand, the way to artificial biological diversity is viewed with scepticism in scientific circles. But on the other, if the process is successful then the resulting cells will be enormously useful in industry. For example, new environmentally friendly bio catalysts for manufacturing fuel, new active ingredients for medicinal products and more environmentally friendly biomaterials are just some conceivable uses. At the same time this project provides the scientific community with an opportunity to consider problems and misgivings concerning the biosafety of synthetic organisms and to address these publicly.

The chemically modified bacteria will theoretically be viable for an unlimited period of time in genetic isolation from natural species. As soon as the non-natural amino acids are no longer provided in the growth medium, they will die. The “codon emancipation” therefore constructs a "genetic firewall" against a potential genetic exchange between artificial and natural cells.

Philippe Marlière explains, “We plan to rewrite the entire genomic text of the microbes in the test tubes through cumulative mutations, creating quick-growing cells with permanent evolutionary pressure. To do this, we have developed an automaton, what is known as a “gene machine” over the course of the last ten years.”

These developments are at the forefront of synthetic biology. The work of the renowned Americans Craig Venter and George Church is in contrast more or less within the framework of classic genetic engineering, based as it is on the copying and resynthesising of structures that are present in nature with the help of synthetic DNA oligomers.

Matthias Driess, Chair of the UniCat Cluster of Excellence, is enthusiastic about the prospects for the work based on the joint expertise of Budisa and Marlière. “This will be an excellent reinforcement to the bio part of our Cluster. Philippe is a superb innovator, while Nediljko is an original thinker with a superb intellectual profile and a hard worker who has followed his own original ideas and ambitious targets for decades, without being distracted by the scientific mainstream or the fashions in the German research scene, by which I mean he successfully swims against all the tides. We anticipate not only the development of a unique whole-cell catalyst, but also the development of artificial life forms with functions that have not yet been invented by natural evolution.”

The genetic code and the concept of „codon emancipation“

The genetic code was solved in 1966 and is identical for all living creatures. This means that in every organism, a specific sequence of nucleic acids in the DNA carries the same protein molecule.

The genetic code determines the way in which the sequence of bases adenine (A), cytosine (C), guanine (G) and thymine (T) are translated into protein. Every three bases stand for one amino acid, in a triplet known as a codon. There are only 64 codons that generate 20 amino acids. This means that the majority of amino acids are encoded by several codons.

For example, the amino acid arginine can be represented using the six codons CGG, CGA, CGC, CGU, AGG and AGA. AGG and AGA are used very seldom in bacteria such as Escherichia coli. Thus theoretically, for example, all AGGs in the genetic makeup of a living creature could be allocated a new, non-natural amino acid. The cell is then said to be “codon emancipated”, meaning that the old chemistry has been replaced with new.

The Cluster of Excellence Unifying Concepts in Catalysis (UniCat)

“Unifying Concepts in Catalysis” (UniCat) is the sole Cluster of Excellence researching the economically important field of catalysis. More than 250 chemists, physicists, biologists and engineers from four universities and two Max Planck research institutes from Berlin and Potsdam are involved in this interdisciplinary research network. The Cluster is hosted by the Technische Universität Berlin. UniCat receives funding of approximately 5.6 million Euro each year as part of the Excellence Initiative of the German Research Foundation.

For further information, please contact:
Prof. Dr. Nediljko Budisa, TU Berlin, Department of Chemistry
Tel.: + 49 (0) 30 314-23 661, E-Mail:
Dr. Martin Penno, UniCat Cluster of Excellence, Public Relations Officer, TU Berlin, Tel.: + 49 (0) 30 314-28 592, E-Mail:


Hoesl, M. and Budisa, N. (2011). In Vivo Incorporation of Multiple Noncanonical Amino Acids into Proteins. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 50, 2896-2902.

Schmidt, M. (2010), Xenobiology: A new form of life as the ultimate biosafety tool. BioEssays, 32, 322–331

Marliere P. (2009). The farther, the safer: a manifesto for securely navigating synthetic species away from the old living world. Syst. Synth. Biol. 3, 77-84.

Budisa, N. (2004). Prolegomena to future experimental efforts on genetic code engineering by expanding its amino acid repertoire. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 43, 6426-6463.

Stefanie Terp | idw
Further information:

More articles from Life Sciences:

nachricht New mechanisms regulating neural stem cells
21.02.2019 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht A landscape of mammalian development
21.02.2019 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

All articles from Life Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Materialdesign in 3D: vom Molekül bis zur Makrostruktur

Mit additiven Verfahren wie dem 3D-Druck lässt sich nahezu jede beliebige Struktur umsetzen – sogar im Nanobereich. Diese können, je nach verwendeter „Tinte“, die unterschiedlichsten Funktionen erfüllen: von hybriden optischen Chips bis zu Biogerüsten für Zellgewebe. Im gemeinsamen Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order” wollen Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg die dreidimensionale additive Fertigung auf die nächste Stufe heben: Ziel ist die Entwicklung neuer Technologien, die einen flexiblen, digitalen Druck ermöglichen, der mit Tischgeräten Strukturen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene umsetzen kann.

„Der 3D-Druck bietet gerade im Mikro- und Nanobereich enorme Möglichkeiten. Die Herausforderungen, um diese zu erschließen, sind jedoch ebenso gewaltig“, sagt...

Im Focus: Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft - Quantenzustand in Diamanten gemessen

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch zu messen. Ein Qubit gilt als die Grundeinheit der Quanteninformation. Die Ergebnisse der Studie, die von der Universität Ulm koordiniert wurde, erschienen jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Science.

Die Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten...

Im Focus: Wasser ist homogener als gedacht

Um die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1% Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.

Wasser ist das „Element“ des Lebens, die meisten biologischen Prozesse sind auf Wasser angewiesen. Dennoch gibt Wasser noch immer Rätsel auf. So dehnt es sich...

Im Focus: Licht von der Rolle – hybride OLED ermöglicht innovative funktionale Lichtoberflächen

Bislang wurden OLEDS ausschließlich als neue Beleuchtungstechnologie für den Einsatz in Leuchten und Lampen verwendet. Dabei bietet die organische Technologie viel mehr: Als Lichtoberfläche, die sich mit den unterschiedlichsten Materialien kombinieren lässt, kann sie Funktionalität und Design unzähliger Produkte verändern und revolutionieren. Beispielhaft für die vielen Anwendungsmöglichkeiten präsentiert das Fraunhofer FEP gemeinsam mit der EMDE development of light GmbH im Rahmen des EU-Projektes PI-SCALE auf der Münchner LOPEC (19. bis 21. März 2019), erstmals in Textildesign integrierte hybride OLEDs.

Als Anbieter von Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik setzt sich das Fraunhofer FEP schon lange mit der...

Im Focus: Light from a roll – hybrid OLED creates innovative and functional luminous surfaces

Up to now, OLEDs have been used exclusively as a novel lighting technology for use in luminaires and lamps. However, flexible organic technology can offer much more: as an active lighting surface, it can be combined with a wide variety of materials, not just to modify but to revolutionize the functionality and design of countless existing products. To exemplify this, the Fraunhofer FEP together with the company EMDE development of light GmbH will be presenting hybrid flexible OLEDs integrated into textile designs within the EU-funded project PI-SCALE for the first time at LOPEC (March 19-21, 2019 in Munich, Germany) as examples of some of the many possible applications.

The Fraunhofer FEP, a provider of research and development services in the field of organic electronics, has long been involved in the development of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>



Industrie & Wirtschaft

Unendliche Weiten: Geophysiker nehmen den Weltraum ins Visier

21.02.2019 | Veranstaltungen

Tagung rund um zuverlässige Verbindungen

20.02.2019 | Veranstaltungen

LastMileLogistics Conference in Frankfurt befasst sich mit Lieferkonzepten für Ballungsräume

19.02.2019 | Veranstaltungen

Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
Aktuelle Beiträge

Materialdesign in 3D: vom Molekül bis zur Makrostruktur

21.02.2019 | Verfahrenstechnologie

Neue Mechanismen der Regulation von Nervenstammzellen

21.02.2019 | Biowissenschaften Chemie

Fledermäusen auf der Spur: Miniatur-Sensoren entschlüsseln Mutter-Kind-Beziehung

21.02.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
im innovations-report
in Kooperation mit academics