Die synthetische Genomik ist ein Gebiet der Biochemie, das sich auf die Entstehung des Genoms konzentriert – die vollständige Zusammenstellung der genetischen oder erblichen Informationen eines Organismus, die für die Aufrechterhaltung des Lebens dieses Organismus erforderlich sind. Das Genom eines Organismus besteht aus Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Molekülen, die einen Code bilden. Teile dieses Codes, Gene genannt, steuern die Bildung und Interaktion von Proteinen in den Zellen des Organismus und ermöglichen dem Organismus, zu funktionieren. In der synthetischen Genomik manipulieren und erstellen Wissenschaftler Genome für Forschungszwecke oder für praktische Anwendungen in der Medizin und der Herstellung von Biokraftstoffen.
Die DNA besteht aus sich wiederholenden Struktureinheiten, den Nukleotiden, die Basenpaare bilden und die Muster erzeugen, die den genetischen Code bilden. Nukleotide und DNA-Sequenzen werden für eine Vielzahl biochemischer Anwendungen künstlich hergestellt, aber die synthetische Genomik ist ein komplizierterer Prozess. Um ein funktionsfähiges synthetisches Genom zu erstellen, muss das natürliche Genom vollständig bekannt und entweder exakt repliziert oder so modifiziert werden, dass keine entscheidenden Funktionen beeinträchtigt werden.
Im Jahr 2010 schuf ein Forschungsteam des J. Craig Venter Institute in Rockville, Maryland, das erste synthetische Bakteriengenom. Das Bakterium Mycoplasma mycoides hat ein Genom, das aus einer Million Basenpaaren besteht. Das Team war in der Lage, das natürliche Genom des Bakteriums mit synthetisch hergestellten Nukleotiden zu replizieren und das synthetische Genom in die Zelle eines anderen Bakteriums einzuführen, wobei die DNA dieses Bakteriums durch die synthetische Mycoplasma mycoides-DNA ersetzt wurde. Mit dem neuen Genom begann die Zelle, als normale Mycoplasma mycoides-Zelle zu funktionieren, mit all ihren Funktionen intakt.
Aufgrund der Komplexität der beteiligten Systeme können bei der Synthese eines Genoms leicht Komplikationen auftreten. Wenn beispielsweise ein Basenpaar fehl am Platz ist oder fehlt, funktioniert die Zelle möglicherweise überhaupt nicht. Ebenso müssen die biochemischen Prozesse, durch die die Zelle die Informationen in der DNA liest und umsetzt, und die chemischen Wechselwirkungen der Zellumgebung mit der DNA stimmen.
Die Technologie der synthetischen Genomik kann an industrielle und kommerzielle Anwendungen angepasst werden, wie beispielsweise die Produktion von Biokraftstoffen. Seit 2011 forschen einige Unternehmen an der Möglichkeit, synthetische Algen herzustellen, die Kohlendioxid effizienter einfangen und zu verwertbaren Substanzen verarbeiten als natürlich vorkommende Algen. Viele Forscher glauben, dass die Algentechnik auf diese Weise die Produktion von Biokraftstoff kostengünstiger und wirtschaftlich rentabler machen kann.
Andere Projekte im Bereich der synthetischen Genomik beinhalten die Synthese nur eines Teils eines Genoms, um einen Organismus für den industriellen oder wissenschaftlichen Einsatz zu modifizieren. Ein Beispiel ist die Modifikation von Pflanzengenomen, um Pflanzen resistenter gegen Dürre oder Schädlinge zu machen. In der Medizin können Mikroben genetisch verändert werden, um bestimmte Krankheiten zu heilen oder bei der Gentherapie zu helfen.