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Von Magherita Kemper
Das Jahr 2020 war doch irgendwie alles andere als "normal"... Auch die Verleihung der Nobelpreise des Jahres fand unter besonderen Bedingungen statt! Am 10. Dezember gab es zwar eine offizielle Preisverleihung, allerdings so ganz ohne Gäste und vor allem auch ohne die Preisträgerinnen und Preisträger. Anders als sonst, erhielten sie ihre Preise nämlich nicht in Stockholm, sondern in ihren jeweiligen Heimatländern, also verteilt über die ganze Welt.

Der Nobelpreis für Chemie 2020 „für die Entwicklung einer Methode zur Genom-Editierung.“

Mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Technologie haben die beiden Forscherinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna die Biowissenschaften revolutioniert. Mit besonders hoher Präzision kann nun die DNA, ob von Menschen, Tieren, Pflanzen oder Bakterien verändert werden. Von der Grundlagenforschung bis zur praktischen Anwendung waren es hier nur wenige Schritte. In wenigen Jahren wurde dieses System anwendbar für jede Forscherin und jeden Forscher weltweit.

Forschungen an Bakterien

Emmanuelle Charpentier startete mit ihrer eigenen Forschungsgruppe 2002. Sie spezialisierte sich auf ein weit verbreitetes Bakterium: Streptococcus pyogenes. Millionen von Menschen infizieren sich jährlich mit diesem Bakterium, das verschiedene Krankheitsbilder verursachen kann. Mögliche Folgen sind beispielsweise Mandelentzündung oder Hautausschlag, bei einem schlechten Allgemeinzustand des Patienten kann sich aus der Infektion jedoch sogar eine lebensbedrohliche Blutvergiftung entwickeln. Charpentiers eigentliches Ziel ihrer Arbeiten war es, herauszufinden was diese Bakterien so gefährlich macht und wie ihre Gene reguliert sind. Mit diesem Wissen hoffte sie ein neues Medikament zu finden - wie zum Beispiel einen neuen Wirkstoffmechanismus für Antibiotika.

Parallelen zu RNA Interferenz

Jennifer Doudnas Forschungsschwerpunkt lag zu jener Zeit auf der Erforschung der RNA. RNA, quasi der molekulare Zwilling der DNA, ist die Form des Erbguts, die den Bauplan für die Proteine enthält. Im Gegensatz zur DNA, die eine doppelsträngige Helix ausbildet, ist die RNA nur einsträngig. Doudna forschte auf dem zur damaligen Zeit noch recht neuen Gebiet der RNA Interferenz. Dieser Mechanismus dient der zielgerichteten Abschaltung von Genen. Aufgrund ihrer Forschungsleistungen wurde Doudna als eine der ersten über eine neuartige Entdeckung informiert: auf dem Genom von verschiedensten Bakterienarten finden sich repetitive (sich wiederholende) DNA Sequenzen, die sich im Laufe der Evolution erstaunlich wenig verändert haben. Zwischen diesen sich wiederholenden Sequenzen sind wiederum nur einmalig vorkommende Sequenzen zu finden, diese jedoch variieren von Bakterium zu Bakterium. Die sich wiederholenden Sequenzen wurden CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) genannt. Was die Forscherinnen und Forscher nun faszinierte war, dass die einmalig vorkommenden Sequenzen dem Erbgut diverser Viren glichen. Erste Vermutungen legten hier bereits nahe, dass man eine Art bakterielles Immunsystem entdeckt hatte und dass der Mechanismus der von Doudna untersuchten RNA Interferenz gleichen könnte. Doudna war fasziniert und legte ihren Forschungsschwerpunkt fortan auf die Erforschung CRISPR-assoziierten Proteine, sogenannte Cas-Proteine, die zwischenzeitlich ebenfalls entdeckt worden waren. Auf einer Konferenz in Puerto Rico kamen die beiden Forscherinnen Doudna und Charpentier miteinander in Kontakt. Zwischenzeitlich hatte die Arbeitsgruppe von Emmanuelle Charpentier versucht, das CRISPR System auf S.pyogenes zu übertragen. In einer Kooperation ihrer Forschungsprojekte konnten Charpentier und Doudna nach vielen fehlgeschlagenen Versuchen zeigen, dass ein definiertes DNA Molekül von Cas9 in zwei Teile geschnitten wurde.

Das Immunsystem der Bakterien

Wenn Viren ein Bakterium infizieren, injizieren sie ihm ihr eigenes, für das Bakterium schädliches, Erbgut. Überlebt das Bakterium diese Infektion, wird ein kleiner Teil der Virus DNA in das Bakteriengenom integriert und dient so als Erinnerung an das Virus. Diese integrierte DNA schützt das Bakterium dann vor einer Neuinfektion mit dem gleichen Virus.
Erläuterungen zur Abbildung:
  1. Das Bakterium baut ein Stück der Virus DNA in sein Genom ein. Dies geschieht an der Stelle mit den CRISPR Sequenzen. Zwischen jeder Viren-DNA liegt eine repetitive Sequenz.
  2. Die CRISPR DNA wird kopiert und zu RNA umgeschrieben.
  3. Das lange RNA Molekül wird in kleine Stückchen geschnitten. An diese bindet ein weiteres kurzes RNA Molekül und das Cas9 Protein.
  4. Dieser Komplex aus RNA und Cas9 kann nun erkennen, wenn erneut eine Infektion vorliegt. Er bindet an die fremde DNA und Cas9 schneidet diese in Stücke.

Schlaue Köpfe denken weiter

Hier könnte die Geschichte nun zu Ende sein. Charpentier und Doudna haben in Streptococcus ein Immunsystem entdeckt, das einfach und zugleich so effektiv ist. Doch sie dachten weiter. Wäre es vielleicht möglich, auf Basis dieses Systems ein DNA-Stück präzise an einer vorher definierten Stelle zu schneiden? Sie testeten dies in einem Experiment und das Ergebnis war umwerfend – die DNA Moleküle wurden tatsächlich genau an den definierten Stellen geschnitten! Dies war mit bislang bekannten Techniken der Gentechnik so nicht möglich gewesen.

Neue Chancen, bessere Therapien

Die CRISPR/Cas9 Methode bietet viele neue Ansatzpunkte auf dem Gebiet der Medizin. Denkbar sind neue Immuntherapien bei Krebs oder sogar die Heilung von Erbkrankheiten. Derzeit gibt es erste Klinische Studien zur Behandlung von Blutkrankheiten wie Sichelzellanämie oder Beta-Thalassämie. In Tierversuchen versucht man herauszufinden, wie man die Genschere am besten in die gewünschten Zellen einbringt. Dafür werden derzeit speziell modifizierte Viren erprobt. Bis diese Methode am Menschen getestet werden kann, wird jedoch noch einige Zeit vergehen. Ebenso bedeutend ist CRISPR/Cas9 für die Pflanzenzüchtung. Hier hofft man auf Pflanzen, die Trockenheit gut tolerieren können oder Pflanzen, die Pestizide einsparen lassen und zugleich höhere Erträge liefern.

Keine Chancen ohne Risiken

CRISPR/Cas bietet auf vielen Gebieten einen Hoffnungsschimmer für die Zukunft, ein verantwortungsvoller Umgang mit diesen neuen Möglichkeiten ist jedoch wichtig. Ein Aspekt ist die derzeitige strenge Regelung für den Umgang mit menschlichem Erbgut, vor allem mit der menschlichen Keimbahn. Eingriffe in die Keimbahn betreffen schließlich nicht nur eine Person, sondern auch all ihre Nachkommen. Rein theoretisch erlaubt es die Genschere, das Erbgut von Embryonen zu modifizieren. Der Deutsche Ethikrat arbeitet daher daran, eine internationale Vereinbarung zum Einsatz von CRISPR/Cas ins Leben zu rufen.
Preisgeld: 10 Millionen Schwedische Kronen (rund 950.000 €), je zur Hälfte an die beiden Preisträgerinnen. Pressemitteilung: http://nobelprize.org/

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Gastblogger

Immer wieder schreiben Gäste im Blog - Informationen zu diesen Autorinnen und Autoren finden sich im jeweiligen Beitrag. Als Gastblogger schrieben in letzter Zeit: <link 12873 - internal-link-new-window "Opens internal link in new window">Jutta Schlögl</link> war als Physik-Ingenieurin im Bereich Technische Entwicklung tätig und ist seit 2007 wissenschaftliche Mitarbeiterin des Deutschen Museums. Sie leitet das Projekt Experimentier-Werkstatt.Dorothea Föcking ist Hamburger Abiturientin und macht ein zweimonatiges Praktikum im Vorbereitungsteam der Sonderausstellung "Anthropozän". Ihr Tipp für einen Besuch im Deutschen Museum: Bei einem Museumsbesuch sollte man unbedingt Halt in der <link 81 - more>Pharmazie-Ausstellung</link> machen, um in das Innere der riesigen, gemütlichen Zellnachbildung zu schauen.