Allgemein, Chemie, Nobelpreis

Wie funktioniert die Genschere? {Chemie Nobelpreis 2020}

Der diesjährige Chemie Nobelpreis kam nicht wirklich überraschend, Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna werden bereits seit einigen Jahren als Kandidaten hoch gehandelt, ihre Entdeckung wird oft als eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Durchbrüche des 21. Jahrhunderts beschrieben. Nun haben sie den Preis also tatsächlich bekommen und heute schauen wir uns an, warum!

Der Nobelpreis für Charpentier und Doudna vereint gleich zwei Besonderheiten: Zum ersten Mal überhaupt in den Naturwissenschaften teilen sich zwei Frauen den Preis! Außerdem wird hier keine Forschung geehrt, die vor vielen Jahrzehnten getätigt wurde, sondern eine sehr aktuelle Entdeckung. Die Hauptentdeckung ist gerade einmal 8 Jahre her.

Von Anfang an war Charpentier besonders fasziniert von pathogenen (= krankheitsauslösenden) Bakterien und wollte diese erforschen. Ihr Ziel war, zu verstehen, warum sich Krankheitserreger aggressiv verbreiten, wie sie resistent gegen Antibiotika werden und letztlich, wie man neue Medikamente gegen sie entwickeln könnte. Als sie 2002 ihre eigene Arbeitsgruppe an der Universität Wien startete, widmete sie sich den Streptococcus pyogenes (das ist das Bakterium, was beispielsweise Scharlach auslöst, aber auch einige noch ernstere Krankheiten). Um diesem Ziel näher zu kommen, wollte sie untersuchen, wie die Gene des Bakteriums reguliert werden.

Gensequenzen einfach an beliebiger Stelle durchtrennen, gewünschte Informationen austauschen und dann wieder zusammenbauen? Ja, das geht tatsächlich!

Jennifer Doudna auf der anderen Seite forschte über RNA und galt schon recht früh als jemand, der ein Gespür für bahnbrechende Projekte hatte. Im Jahr 2006 wurde sie von einem Kollegen auf eine neue Entdeckung aufmerksam gemacht: Die sogenannten clustered regularly interspaced short palindromic repeats , kurz CRISPR. Gemeint ist damit eine Wiederholung von DNA-Sequenzen im Genmaterial von Bakterien. Das interessante daran ist, dass die gleichen Sequenzen immer wieder wiederholt werden und genau zu verschiedenen Viren zu passen scheinen. Es wird vermutet, dass es sich dabei um eine Art altes Immunsystem von Archaeen (eine Art von Mikroorganismen) und Bakterien als Schutz vor Viren handelt. Wenn ein Bakterium eine Virusinfektion überstünden hätte, würde es ein Stück des genetischen Codes des Virus‘ in seinen eigenen übernehmen, quasi als Erinnerung an die Infektion – soweit die aktuelle Hypothese. Was hat das mit Doudna zu tun? Niemand weiß bis jetzt genau, wie die Gensequenzen aufgenommen werden, aber es wird vermutet, dass es gerade über RNA Interferenz geschieht, also genau dem Forschungsgebiet von Doudna. Doudna setzte ihre ganze Arbeitsgruppe an die Arbeit zu CRISPR und sie lernten schnell, dass weitere, spezielle Gene entdeckt wurden, sogenannte CRISPR-associated, kurz cas. Doudna erkennt, dass diese Gene sehr ähnlich aussehen wie bekannte Proteine, die darauf spezialisiert sind, DNA zu entwickeln und zu zerschneiden. Sollten die cas-Proteine eine ähnliche Aufgabe haben?

Charpentier zog 2009 nach Umea in Schweden, um dort weiter an genregulierenden RNA-Molekülen zu forschen – zusammen mit anderen Wissenschaftlern in Berlin. Dort findet und untersucht sie schließlich RNA in den Streptococcus pyogenes und ihre Verbindung zur passenden CRISPR-Region des Bakteriumgenoms. Besonders an diesem System ist außerdem, dass es nur ein einziges Cas-Protein benötigt, um die Virus-DNA zu spalten: Cas9. Über diese Entdeckung publiziert sie im März 2011.

Die Wege von Charpentier und Doudna kreuzen sich zu genau diesem Zeitpunkt am Rande einer Konferenz in Puerto Rico, wo sie sich zufällig in einem Café treffen und einander vorgestellt werden. Nach ein paar Tagen schlägt Charpentier eine Zusammenarbeit vor, die auch zustande kommt. Die Annahme, der beide zusammen nachgehen wollen, lautet: CRISPR-RNA wird verwendet, um die Virus-DNA zu identifizieren und Cas9 funktioniert wie eine Schere, die in die DNA Moleküle schneidet. Tatsächlich passierte im Experiment aber erst einmal… Nichts! Als die beiden allerdings tracrRNA hinzugaben, passierte genau das, was sie vermutet hatten: Die DNA wurde zerteilt. Diese Entdeckung der genetischen Schere an sich ist schon herausragend, die beiden Forscherinnen stoppten aber nicht an dieser Stelle…

Charpentier und Doudna beschlossen, den Versuch zu starten, die genetische Schere zu vereinfachen und vor allem zu steuern. Sie fügten die tracrRNA und CRISPR-RNA in ein einzelnes Molekül zusammen und nannten es guide RNA. Mit dieser vereinfachten Variante der Genschere versuchten sie in einem Experiment, DNA an Stellen zu teilen, die sie sich vorher aussuchten. Dafür nahmen sie ein Gen aus Doudnas Labor, veränderten den CRISPR-Teil des Schere, sodass der Code genau dazu passte, was geteilt werden sollte. Und tatsächlich: Die DNA wurde genau an den richtigen Stellen geteilt!

Kurz nachdem das Ergebnis über die Genschere 2012 veröffentlicht worden war, testeten zahlreiche Arbeitsgruppen aus aller Welt das Werkzeug und bestätigten, dass man damit Gene von Mäusen und Menschen verändern konnte. Beispielsweise kann so durch punktgenaue Veränderungen getestet werden, welche Aufgaben bestimmte Gene genau haben. Mit dieser Methode sollen in der Zukunft Krankheiten, wie beispielsweise Krebs / Huntington / Muskeldystrophien etc., geheilt werden. Auch in der Pflanzenzucht werden Genscheren inzwischen erfolgreich angewendet, um beispielsweise Pflanzen für wärmeres Klima anzupassen oder auch, um sie unanfälliger für Krankheiten zu machen!

Wie so oft bei grundlegenden neuen Erkenntnissen oder Methoden vor allem in der Medizin, sind auch die Genscheren nicht unumstritten. Wenn Menschen die Möglichkeit bekommen, den genetischen Code umzuschreiben, ist es elementar wichtig, klare Richtlinien der Verwendung zu beschließen. Wir werden wohl sehen, wie es damit weitergeht.

Und noch jemand, der durch den „besten Wecker überhaupt“ mitten in der Nacht aus dem Bett geholt wurde: Jennifer Doudna!

Wofür haben Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna konkret den Chemie Nobelpreis bekommen?
Die beiden Wissenschaftlerinnen bekommen den diesjährigen Nobelpreis in Chemie für ihre Entdeckung und Erforschung der sogenannten Genschere durch CRISPR-Cas9. Dieses biochemische Werkzeug macht es möglich, den genetischen Code punktgenau zu verändern.

Emmanuelle Charpentier sieht zwar hier recht gefasst aus, beschreibt ihre erste Reaktion beim Anruf aber als „sehr emotional“!

Sowohl von Jennifer Doudna, als auch von Emmanuelle Charpentier gibt es Aufnahmen bei Youtube, die sie kurz nach der Nobelpreisbekanntgabe zeigen. Schaut gern mal dort vorbei!

 

Save the date: Am Dienstag, den 8.12., werden die Nobel Lectures zu Chemie online ab 11 Uhr CET übertragen!

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Quelle & weitere Informationen:
Press Release, nobelprize.org
Popular scientific background: The discovery of Hepatitis C virus, nobelprize.org

2 Gedanken zu „Wie funktioniert die Genschere? {Chemie Nobelpreis 2020}“

  1. Liebe Becky, Deine Übersicht zu der Geschichte der Entdeckung, aber auch die anschauliche Erklärung zur Technologie selbst ist so toll! Danke dafür & viel Spaß beim Anschauen der Verleihung später 🍀.
    Deine Andrea

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