Affen, die Gedanken lesen

Streiche spielen – eine beliebte Beschäftigung bei Kindern. Zum Beispiel Sachen verstecken, die den Eltern irgendwie wichtig zu sein scheinen (Geldbörse, Autoschlüssel, sich selbst) und sich dann einen abfreuen, wenn die Eltern panisch danach suchen: “Hier hatte ich es doch hingelegt!” So nervig solche Situationen sein können – man sollte doch die Leistung des kindlichen Gehirns würdigen, die dahintersteckt. Um jemandem einen Streich zu spielen, muss man sich nämlich in ihn hineinversetzen können – die Welt durch die Augen des anderen sehen, um vorhersagen zu können, dass derjenige eine amüsante Reaktion zeigen wird. Nur sehr wenige Tiere können sich in ihr Gegenüber hineinversetzten – wir Menschen gehören dazu, aber auch viele Affen.

In dem Versuch, der in diesem Video der Wissenschaftszeitschrift Science gezeigt wird, beobachten verschiedene Menschenaffen (Schimpansen, Orang-Utans und Bonobos) eine Szene, die von Menschen gespielt wird. Dabei verfolgen Wissenschaftler die Augenbewegungen der Affen, um zu sehen, wo sie während der Szene hinschauen. Damit die Tiere dabei ihren Kopf möglichst stillhalten, ist direkt vor ihnen ein Trinkhalm installiert, aus dem Orangensaft tröpfelt.

Eine der Szenen läuft wie folgt ab: Ein Mensch hat einen Pflasterstein, im Raum liegen außerdem zwei umgestülpte Kartons. Ein als Affe verkleideter Mensch kommt hinzu und ist sehr aufgeregt über den Stein (dieser Part ist wohl dazu da, dem beobachtenden Menschenaffen klarzumachen, das der Stein sehr wichtig ist – so wie die Geldbörse für Papa wichtig ist, und daher ein attraktives “Streichspielobjekt”). Dann versteckt der Verkleidete den Stein im Beisein des Menschen unter dem linken Karton. Der Mensch verlässt den Raum – woraufhin der Verkleidete den Stein erst unter den rechten Karton legt, dann ganz wegnimmt und den Raum verlässt. Der Mensch kommt zurück, um den Stein zu holen, und nun passiert etwas interessantes: Der beobachtende Menschenaffe schaut zum linken Karton, wo der Stein ja nicht mehr ist. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass der Affe sich in die Perspektive des Menschen hineinversetzen kann. Denn obwohl der Menschenaffe weiß, dass es das falsche Versteck ist, nimmt er an, dass der Mensch dort nachsieht – der weiß es schließlich nicht besser.

Auch andere Primaten zeigen eine gewisse Fähigkeit, die Gedanken ihrer Artgenossen nachzuvollziehen. In diesem Video aus der Doku “Clever Monkeys” des britischen Senders BBC nutzt ein Kapuzineraffe den Alarmschrei, der seine Kollegen eigenltich vor Fressfeinden warnen soll, um sie alle in die Flucht zu jagen – und dann das beste Futter für sich alleine zu haben. Dank der strengen Hierarchien bei Kapuzineraffen wird ihm das nämlich normalerweise von Ranghöheren abgenommen. (Der Sprecher in dieser Doku ist übrigens einer meiner persönlichen Helden: David Attenborough, ein britischer Naturforscher, der seit vielen Jahrzehnten an wundervollen und informativen Naturdokumentationen mitwirkt. In Deutschland werden die meist im ZDF ausgestrahlt, allerdings natürlich mit einem Synchronsprecher.)

Vor einigen Jahren habe ich eine deutsche Doku über die kindliche Gehirnentwicklung gesehen, wo ein ähnliches Experiment mit Kindern verschiedenen Alters durchgeführt wurde: Im Beisein des Kindes und seiner Mutter wurde ein Malstift in einem Karton versteckt. Dann verließ die Mutter den Raum und der Versuchsleiter nahm den Stift aus dem Karton und versteckte ihn woanders. Das Kind sah das. Der Versuchsleiter fragte dann das Kind, wo Mama den Stift suchen würde, wenn sie wieder hineinkam. Kinder über vier Jahre sagten, sie würde im Karton suchen, wo die den Stift ja zuletzt gesehen hatte. Jüngere Kinder aber glaubten, sie würde im zweiten Versteck suchen – sie konnten sich noch nicht in die Perspektive ihre Mutter hineinversetzen. (Leider weiß ich nicht mehr, wie diese Sendung hieß und finde auch das Video nicht.)

Wenn eure Kiddies sich also gegenseitig mit der Sandkastenschaufel verkloppen, liegt es nicht daran, dass sie kleine Teufelsbratzen sind. Ihr Gehirn hat schlichtweg die Verbindungen noch nicht geknüpft, die dafür zuständig sind, die Welt durch die Augen des Gegenübers zu sehen.

 

Nobler Griff ins Klo

medailleDie Verkündung der Nobelpreise 2016 ist durch. Dieses Jahr wurden Forschungsthemen geehrt, die die Menschheit vielleicht nicht viel, aber doch ein bisschen weiterbringen – solide und skandalfrei. Das war schon mal anders. Hier sind ein paar Erkenntnisse und Menschen, deren Auszeichnung mit dem wichtigsten Wissenschaftspreis inzwischen umstritten ist.

Es gab zum Beispiel einige Nobelpreise für Erkenntnisse, die sich später als falsch herausstellten. Johannes Fibiger etwa gewann 1926 für die Entdeckung des winzigen parasitischen Rundwurmes Spiroptera carcinoma, der laut Fibiger Krebs auslöste. In seinen Experimenten fütterte er Ratten mit Kakerlaken, die mit dem Wurm infiziert waren. Die Ratten entwickelten Darmtumore. Wie sich später herausstellte, war daran aber nicht direkt der Parasit Schuld – die Ratten litten aufgrund des einseitigen Futters an einem Vitamin A-Mangel, der die Darmzellen extrem empfindlich machte. Der Parasit reizte die Zellen dann so sehr, dass sie sich zu Krebszellen entwickelten – jeder Reiz hätte also Krebs ausgelöst. Der Wurm wurde inzwischen umbenannt in Gongylonema neoplasticum. Fibiger war aber nicht komplett auf dem Holzweg – es gibt durchaus parasitische Würmer, die Krebs verursachen können. Fibiger ist übrigens ironischerweise an Darmkrebs gestorben.

Die Leukotomie des zwölfjährigen Howard Dully. Für die Operation wird ein Metallstab oberhalb des Augapfels ins Gehirn gehämmert und dort mehrmals kräftig hin und herbewegt, um das Gewebe zu zerstören. Die ganze Sache dauert nur zehn Minuten. (Bild: George Washington University Gelman Library)

Manchmal wurden auch Dinge geehrt, die heutzutage ethisch gar nicht mehr gehen. 1949 erhielt António Egas Moniz den Nobelpreis für die Technik der präfrontalen Leukotomie. Dabei wurden die Nervenverbindungen getrennt, die den präfrontalen Kortex an den Rest des Gehirns koppeln. Das sollte Menschen mit schweren psychiatrischen Erkrankungen wie manischer Depression oder Schizophrenie heilen. Wenn man bedenkt, dass es damals keine Medikamente gegen psychische Störungen gab, kann man es noch nachvollziehen, dass solche Operationen durchgeführt wurden. Es gibt tatsächlich einige Fälle, in denen die Leukotomie das Befinden des Patienten deutlich besserte. Moniz nutzte als Testobjekte allerdings Frauen in einem „Irrenhaus“, wie es damals noch hieß, in Lissabon. Die hatten keine Chance, die Operation abzulehnen, sie wurden vermutlich nicht wirklich gefragt. Der präfrontale Kortex ist unter anderem zuständig für die emotionale Bewertung der Umwelt – nicht verwunderlich also, dass die Patienten nach der OP zu emotionalen Zombies wurden. Fraglich ist auch, ob die Leukotomie immer notwendig war. Sie wurde in großem Stil an „hysterischen“ Frauen, Homosexuellen und sogar Kindern durchgeführt. Der jüngste Patient war 12 Jahre alt. Seine Stiefmutter wollte, dass er eine Leukotomie erhielt, da er sich manchmal weigerte, ins Bett zu gehen und öfter tagträumte.

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Esther Lederberg im Labor an der Stanford University

Ein häufiges Symptom männlicher Nobelpreisträger – und des Nobelpreiskommittees – ist die fröhliche Ignoranz gegenüber Frauen, die die mit dem Preis ausgezeichnete Arbeit wesentlich vorangebracht haben. Joshua Lederberg beispielsweise erhielt den Nobelpreis für seine Entdeckungen von Viren, die Bakterienzellen infizieren. Solche Viren nennt man „Phagen“, und der von Lederberg entdeckte erhielt den Namen „Lambda“ (λ) – und Lederberg den Nobelpreis. Blöd nur, dass seine Frau Esther Lederberg den Phagen eigentlich entdeckt, erstmals isoliert und beschrieben hatte. Joshua aber bekam dafür den Nobelpreis und erwähnte seine Frau genau einmal in seiner Nobelpreisvorlesung. (In der deutschen Wikipedia gibt es nicht einmal einen Artikel über Esther Lederberg!)

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Das Röntgenbeugungsbild der DNA-Doppelhelix von Rosalind Franklin

James Watson und Francis Crick, die 1962 gemeinsam mit Maurice Wilkins den Nobelpreis für die Aufklärung der Doppelhelix-Struktur der DNA bekamen, drückten sich komplett darum, ihre Kollegin Rosalind Franklin zu erwähnen. Sie hatte die Experimente entwickelt und durchgeführt, die letztlich die Aufklärung der DNA-Struktur zur Folge hatten. Anhand dieser Daten hatte sie selbst die Struktur beinahe vollständig aufgeklärt. Watson und Crick hatten wohl ohne Franklins Wissen Einsicht in ihre Ergebnisse. In ihrer Nobelpreisrede erwähnten die Herren Rosalind Franklin gar nicht. James Watson wunderte sich in seiner Erzählung „Die Doppelhelix“ nur darüber, dass Franklin sich so unweiblich kleidete und kein Make-Up benutzte. Naja, derselbe Typ hat ein paar Jahrzehnte später einige extrem fragwürdige Aussagen über den Zusammenhang zwischen Rasse und Intelligenz gemacht und dann seine Nobelpreismedaille verkauft, weil er im Zuge des politischen Skandals seinen Job verloren hatte.

Vielleicht hat das Nobelpreiskomitee darum dieses Jahr nur Erkenntnisse geehrt, die schon einige Jahrzehnte alt sind. Da ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass sich über die ausgezeichneten Arbeiten jetzt noch jemand aufregt. Nummer Sicher.

Von der Schrotflinte zum Präzisionsgewehr (mit Laser und Zielfernrohr)

CRISPR-Cas9Morgen wird verkündet, wer den Nobelpreis für Chemie bekommt. Und CRISPR-Cas9, die “Genschere” steht ganz hoch im Kurs. Aber was hat es damit auf sich – und warum verdient die Technik einen Nobelpreis?

Mit CRISPR-Cas9 können Wissenschaftler erstmals ganz gezielt und mit hoher Erfolgsrate Mutationen herstellen. Warum wollen wir das? Beim Wort “Mutation” denkt man ja meist erstmal an Monster oder die X-Men oder sowas. Mutationen sind aber meist ganz unspektulär: Es sind schlichtweg Veränderungen in Genen, die mal gute, mal schlechte, mal gar keine Effekte auf den Körper haben. Ist ein Gen mutiert, so funktioniert das Protein, dessen Bauplan in dem Gen gespeichert ist, nämlich möglicherweise anders oder gar nicht mehr. Im Labor macht man sich darum Mutationen zu Nutze, um die Funktion eines Gens herauszufinden. Man schaltet das Gen also aus und schaut dann, was im Organismus nicht mehr funktioniert. Daraus kann man dann Rückschlüsse auf die Funktion des Gens und des von ihm codierten Proteins schließen. Im Prinzip kann man sich diese Vorgehensweise vorstellen wie eine Maschine, bei der man ein Teil ausbaut und dann guckt, was an der Maschine nicht mehr funktioniert.

Gene sind allerdings ziemlich klein und darum sehr schwierig “auszubauen”. In der Vergangenheit war das ein größeres Problem – es war praktisch unmöglich, ein bestimmtes Gen gezielt auszuschalten. Begeben wir uns also auf eine kleine Zeitreise:

Ab den 1920er Jahren – die Schrotschuss-Methode

Flinte: Ve1wab, Creative Commons License CC BY-SA 4.0

 

Damals haben Wissenschaftler Zellen mit mutagenen (=Mutationen erzeugenden) Chemikalien oder UV-Licht behandelt und gehofft, dass dabei ein interessantes Gen beschädigt wird. Das ist so ähnlich, als ob man aus einer Dosenpyramide genau eine Dose herausschießen will, aber leider nur ein Schrotgewehr zur Verfügung hat. Dementsprechend dauerte es oft Jahre, ehe man eine interessante Mutation erzeugt hatte. Es ging aber auch gar nicht anders, denn man wusste damals noch nicht, welche oder wieviele Gene das Lebewesen, mit dem man da als Wissenschaftler arbeitete, überhaupt hatte. Von der vollständigen DNA-Sequenz des Lebewesens konnte man nur träumen – die Struktur der DNA war ja nicht einmal bekannt. Man wusste gerade eben, dass Gene existierten und dass sie erbliche Eigenschaften von Lebewesen bestimmen. Das wars. Wenn man also die Dosenpyramide nicht sieht, kann man eben einfach nur in die ungefähre Richtung schießen und das beste hoffen.

Ab den 1980er Jahren – der Federball

Der Federball
Später konnte man dann etwas gezielter vorgehen, mithilfe der “homologen Rekombination”, die funktioniert so (siehe auch Abbildung weiter unten): Forscher stellen ein relativ kurzes Stück DNA her, das dem Gen, das sie mutieren wollen, vollkommen gleicht – mit einem wichtigen Unterschied: Es enthält die Mutation, die die Forscher in dem gewünschten Gen erzeugen wollen. Entscheidend sind die sogenannten “Homologie-Arme”. Dort ist die Sequenz der hergestellten DNA exakt dieselbe wie im ursprünglichen (“Wildtyp”-)Gen, das sich in der DNA der Zelle oder des Lebewesens befindet, das die Wissenschaftler erforschen. So kann man also ganz gezielt entscheiden, wo die Mutation stattfinden und wie sie aussehen soll. Die hergestellte DNA mit der gewünschten Mutation bringen die Forscher nun in die Zelle oder das Lebewesen ein. Mit den Homologie-Armen kann die hinzugefügte DNA in die Wildtyp-DNA eindringen und einen der beiden ursprünglichen DNA-Stränge verdrängen. Der Vorgang heißt dementsprechend auch “Strang-Invasion”. Der verdrängte, ursprüngliche Strang wird abgebaut und der noch vorhandene Wildtyp-Strang wird so verändert, dass er nun zu dem mutierten Strang passt. Voilà, die Mutante ist perfekt.

die homologe Rekombination

Wenn es denn klappen würde. Dass der hergestellte Strang tatsächlich in die Wildtyp-DNA eindringt, ist nicht gesagt. Wenn man richtig viel Glück hat, klappt es nach 200 Versuchen – mit Pech allerdings erst nach 100.000 Versuchen. Warum ich es “Federball” nenne? Mit einem Federball kann man ziemlich gezielt auf eine bestimmte Dose werfen, aber der Federball ist auch so leicht, dass er die Dose oftmals nicht umschmeißt.

Seit 2015: Das High-Tech-Präzisionsgewehr

Gewehr: Tactical Operations Inc., Creative Commons License CC BY-SA 4.0

Nun gibt es endlich eine Lösung für fast alle Mutagenese-Probleme: CRISPR-Cas9. Und das hat sich die Natur ganz alleine ausgedacht. Es ist eigentlich das “Immunsystem” bestimmter Bakterien. Die erkennen eindringende Viren und haben ein Enzym, nämlich Cas9, mit dem sie die DNA des Eindringlings kurzerhand zerschneiden. Wie erkennen sie den Eindringling? Dafür gibt es bestimmte kurze RNAs in den Bakterienzellen, die dieselbe Sequenz habe wie die DNA des Virus. Die kurze RNA lagert sich an die Viren-DNA an. Sie hat außerdem ein “Schwänzchen”, das dann Cas9 anlockt. Schließlich schneidet Cas9 die von der kurzen RNA markierte Viren-DNA einfach kaputt. Aufgrund ihrer Eigenschaft, Cas9 zu seinem Einsatzort zu leiten, wurde diese RNA “short guide RNA”, kurz sgRNA genannt. Und dieses System aus sgRNA und DNA-Schneideenzym hat man schlichtweg für die Anwendung im Labor angepasst. Die sgRNA kann man so gestalten, das sie eine beliebige, genau definierte Stelle in der DNA jedes beliebigen Lebewesens erkennt und Cas9 dorthin dirigiert. Cas9 schneidet dann dort die DNA kaputt. Darauf reagiert die Zelle, indem sie die DNA repariert, allerdings fast immer ungenau. Bei dieser Reparatur werden entweder ein paar Basenpaare der DNA  gelöscht oder einige hinzugefügt – es entsteht also eine Mutation genau da, wo man sie haben will. Im Idealfall mit einer Erfolgsrate von 100 %. Doch CRISPR-Cas9 kann noch mehr: Es erhöht die Erfolgsrate der homologen Rekombination nämlich extrem. Die Zelle ist viel eher geneigt, eine von außen zugegebene DNA einzubauen, wenn die entsprechenden Stelle in der Wildtyp-DNA kaputt ist. So kann man die DNA also gezielt aufschneiden und der Zelle auch gleich eine Vorlage für die Reparatur anbieten, die sie meist dankbar annimmt. Auf diese Weise kann man lange DNA-Abschnitte, sogar ganz neue Gene in Zellen einbringen.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind gewaltig – im Labor lassen sich die Aufgaben von Genen und Proteinen viel schneller erforschen und in der Biotechnolgie kann man Bakterien genetisch so verändern, dass sie noch effizienter wichtige Stoffe wie Insulin herstellen. Eines Tages können wir die Technik vielleicht sogar in der Gentherapie einsetzen, um Krebs und andere Krankheiten zu heilen. Doch auch die Kehrseite muss man betrachten – wenn die Technik extrem viel weiterentwickelt wird, könnte man damit eines Tages Dinge genetisch verändern, die nicht unbedingt notwendig sind. Kritiker fürchten, dass wir bald “Designerbabys” herstellen. Dafür wissen wir aber noch viel, viel zu wenig darüber, wie unsere DNA funktioniert, das ist also sicherlich ferne Zukunftsmusik.

Nicht ganz so fern ist die Verkündung des Nobelpreisses – morgen wissen wir mehr. Dann wird vielleicht die spannende Frage beantwortet, wen das Nobelkommittee für die wichtigsten Wegbereiter von CRISPR-Cas9 hält, über diese Frage flogen nämlich in den letzten Monaten die Fetzen. Ich bin gespannt.