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.

Tuberkulose, Pest und Cholera – alles eine Frage der Faltung

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Der Erreger der Pest, Yersinia pestis, (gelb) auf einem Floh (violett). Raster-elektronenmikroskopische Aufnahme, nächträglich eingefärbt. (Foto: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, USA)

Während es mit der Karriere der Pest seit dem 14. Jahrhundert rapide bergab ging, stellen Cholera und vor allem Tuberkulose die Welt noch immer vor große Probleme. Dank der vereinten Mühen von Forscherteams aus Bochum, Leipzig und Braunschweig verstehen wir jetzt besser, wie die Bakterien, die diese Krankheiten verursachen, ihren Angriff auf unser Leib und Leben starten.

Wenn es in unserem Körper demokratisch zuginge, hätten wir jeden Tag Stichwahl: Etwa 40 Billionen (eine 4 mit 13 Nullen) eigene Körperzellen besitzen wir – und etwa genausoviele Bakterien tummeln sich auf unserer Haut, unseren Schleimhäuten und im Darm. Eklig? Keineswegs! Ohne Bakterien könnten wir nicht überleben: Sie wehren Krankheitserreger ab und helfen uns bei der Nahrungsverdauung. Da sie viel kleiner sind als unsere eigenen Körperzellen, fallen sie uns (zum Glück) nicht weiter auf. Aber wehe, eine nicht so wohlmeinende Bakterienzelle dringt ein!

Zu den fiesesten Vertretern der bakteriellen Krankheitserreger gehören Yersinia pestis, Yersinia pseudotuberculosis und Vibrio cholerae – die Namen sind Programm. Die Pest weckt heutzutage höchstens noch geistige Bilder von gruseligen mittelalterlichen Gemälden – sie ist inzwischen relativ harmlos und gut behandelbar. Tuberkulose und Cholera sorgen aber nach wie vor für hohe Todeszahlen, vor allem in ärmeren Ländern mit schlechter Trinkwasserversorgung. Um diese Krankheiten bekämpfen zu können, hilft es ungemein, zu verstehen, wie die Bakterien sie auslösen.

Das haben Forscher um Franz Narberhaus von der Ruhr-Uni Bochum jetzt zumindest teilweise aufgeklärt: Yersinia pestis, Yersinia pseudotuberculosis und Vibrio cholerae enthalten “molekulare Thermometer”. Einfach gesagt sind das Moleküle, die bei kühleren Temperaturen anders aussehen als bei höheren. Dringen die Bakterien in unseren Körper ein, erwärmen sie sich schnell auf unsere Körpertemperatur, also 37 °C. Die Thermometer-Moleküle ändern daraufhin ihre Gestalt und das ist das Angriffssignal – die Pest bricht in uns aus!

Wie funktioniert das genau? Bei den Thermometer-Molekülen handelt es sich um RNA. Das sind Kopien von Genen, die auf der DNA liegen. Die Gene auf unserer DNA stellen Baupläne für Proteine dar. So ein Bauplan darf aber nicht im Original, also als Gen selbst, verwendet werden, sondern es wird eine Kopie gemacht, eben die RNA. Der Bauplan auf der RNA wird von einem Enzym abgelesen, das nach dieser Info dann das Protein herstellt. Dabei kann eine RNA hunderte Male hintereinander abgelesen werden, um viele Exemplare eines Proteins herzustellen. Dasselbe passiert auch in den Bakterien, wenn sie Krankheiten auslösen: Die Bakterien brauchen die Proteine, die so hergestellt werden, um unseren Körper zu befallen. Die RNA für diese Proteine kann nun in zwei Zuständen vorliegen: offen und bereit für die Proteinproduktion oder zusammengefaltet und damit unzugänglich für das Enzym, das sie abliest. Und ihr habt es sicher schon erraten, bei Temperaturen um die 37 °C ist die RNA offen, bei niedrigeren Temperaturen ist sie zusammengefaltet. So wird das Bakterium erst so richtig aktiv, nachdem es in unseren Körper gelangt ist. Die Faltung erfolgt durch Verbindungen, die einzelne Wasserstoffatome innerhalb der selben RNA miteinander schließen. Bei höheren Temperaturen werden diese Verbindungen instabil und die RNA schmilzt regelrecht auf.

Die Frage aller Fragen: Kann man das für Medikamente benutzen? Zwei Antworten: “Ja” und “Noch nicht”. Prinzipiell ist es nicht schwierig, Wirkstoffe herzustellen, die das Aufschmelzen der RNA verhindern und damit die Bakterien zur Untätigkeit zwingen. Das Problem ist jedoch, diese Wirkstoffe halbwegs gezielt durch den Körper zu den Bakterien zu bringen. Und dann müssen sie ihn auch noch aufnehmen. Das ist gar nicht so einfach, eine Bakterienzelle – so wie alle Zellen aller Lebwesen – nehmen nicht einfach so irgendeinen Stoff auf, der gerade vorbeischwimmt. Er könnte ja giftig sein. Was in diesem Fall genau der Zweck wäre. Aber um herauszufinden, wie man die Bakterien so auszutricksen kann, dass die so ein Medikament aufnehmen, müssen Wissenschaftler noch ein bisschen weiterforschen. Immerhin, ein Anfang ist gemacht!

Für die Streber unter uns gibt es hier die Original-Publikation (leider nur, wenn man registriert ist): www.pnas.org/content/early/2016/06/10/1523004113.abstract
Righetti F, et al. Proc Natl Acad Sci USA. (2016 Jun 13)