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Synthetische Biologie : Der Feuerreif aus Heidelberg

Der Feuerring aus Proteinen entflammt die Biologie. Bild: AP

Wilde Kerle im Labor: Ein Dutzend Heidelberger Studenten mischt die große Gentechnik auf. In Massachusetts feiern sie einen historischen Erfolg beim internationalen Elitewettbewerb iGEM - und begeistern mit einer sagenhaften Erfindung.

          Stockholm aufgepasst! Nobelpreise werden zwar nicht an Studenten vergeben, schon gar nicht an ein zwölfköpfiges Studententeam. Aber man darf  ja mal, ehe die salbungsvollen Momente der alljährlichen Preisverleihung näher rücken, mit wilden Vorschlägen vorpreschen. Deshalb: Ein Nobelpreis für die jungen Wilden. Zumal, wenn die wilden Kerle und wilden Hühner aus den Heidelberger Universitätslaboren, die wir da als erste Preisträger im Auge haben, etwas entdeckt und erfunden haben, das die arrivierten Denker lange überhaupt nicht zu denken wagten. Sie nennen es „The ring of fire“ – der Feuerreif.

          Joachim Müller-Jung

          Redakteur im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Was wie der Titel eines billigen Computerspiels klingt, ist in Wirklichkeit eine handfeste biologische Sensation. Es ist eine Erfindung der sogenannten synthetischen Biologie, die auf längere Sicht das Zeug hat, die Forschung an Zellen und Proteinen, an Lebensmolekülen und –systemen schlechthin, zu verändern. Es geht, wenn man so will, um nichts weniger als um die Schöpfung selbst.

          Eliten der Welt am MIT am Start

          Roland Eils, Mathematiker, Bioinformatiker, Molekularbiologe und nicht zuletzt großer Pädagoge der Universität Heidelberg und Forscher am Deutschen Krebsforschungszentrum, hat für das Projekt „Feuerring“ ein Team von einem Dutzend Studenten aufgebaut, das sich in einem Wettstreit um die kreativsten Projekte der synthetischen Biologie mit Elitestudenten aus der ganzen Welt messen sollte. Dieser Nachwuchswettbewerb „iGEM“ , eine Art Jugendweltmeisterschaft der Gentechnik,  ist seit einigen Jahren fester Bestandteil im Jahreskalender von Eils. Auch diesmal reiste man wieder im Dutzend ans Massachusetts Institute of Technology (MIT),  und wieder erwartete die Heidelberger iGEM-Teilnehmer dort eine internationale Riege von Elitestudenten, die alles bisher Dagewesene in den Schatten stellt – nicht nur zahlenmäßig: Mehr als 2500 Studenten in 245 Teams aus der ganzen Welt waren diesmal am Start.

          Kaum eine Uni aus den obersten Rängen der internationalen Rankings, von Stanford und Cambridge bis Tokio und Singapur, die nicht mindestens ein Nachwuchsteam dorthin schickt. Auch aus Deutschland nehmen inzwischen regelmäßig iGEM-Gruppen  - und ausgesprochen erfolgreich - aus verschiedenen Hochschulen teil – aus Bielefeld, Tübingen, Berlin und vielen anderen Hochburgen der molekularbiologischen Forschung hierzulande. Kein anderes aber hat einen Lauf wie das Heidelberger Team. Schon im vergangenen Jahr als erstes deutsches Team mit dem Hauptpreis, dem „Giant Jamboree“ ausgezeichnet,  hat es diesen Erfolg jetzt mit dem „Feuerring“ nicht nur wiederholt, sondern auch gleich drei Spezialpreise obendrauf gesattelt: den Preis für die beste Software, den „Best Foundational Advance“ und den Publikumspreis, der von allen anderen iGEM-Teams vergeben wird.

          iGEM-Team Feuerreif

          Wer viele Preise abräumt, ist generell nobelpreisverdächtig. Was im richtigen, gewissermaßen im „erwachsenen“ Forscherleben gilt, dürfte gerne also auch für den Nachwuchs gelten. Denn der „Feuerring“ aus Heidelberg ist wahrhaftig eine gentechnische Meisterleistung – und wie in der „erwachsenen“ Biotechnik mit allen ethischen Zwiespältigkeiten ausgestattet, die schon die etablierte Gentechnik mit sich bringt. Im Kern geht es beim „Feuerreif“ um ringförmige Proteine. Um Eiweiße, denen man eine Art biochemische Panzerung verpasst.  Um Eiweiße also, wie sie in der Natur eher selten vorliegen. Normalerweise besitzt die Kette aus Aminosäuren, die sich zusammenfalten und so das Protein bilden, zwei Enden. Einen Kopf mit Stickstoff ganz vorne und einen Schwanz mit einem Kohlenstoffendpunkt.  Dieser Zustand – nach vorne und hinten offen - macht die großen, lebenswichtigen Moleküle für proteinabbauende Enzyme empfindlich und ist tatsächlich auch häufig der Grund, wenn Zellen zerstört und der Organismus krank oder geschädigt wird.

          Synthetische Proteinringe mit lebenswichtigen Funktionen

          Vor kurzem hat man allerdings auch  Proteine entdeckt, deren Anfang und Ende miteinander verknüpft sind. „Nichts sprach biochemisch dafür“, so Eils, „dass es diese Verbindung nicht geben sollte.“ Und wie sich zeigte, sind diese ringförmigen Proteine wie erwartet sehr viel stabiler, hitzeresistenter  und widerstandsfähiger gegen Enzymabbau und Übersäuerung. Mit anderen Worten: Proteine sind grundsätzlich für die Ringbildung  geeignet. Der Grund, dass es dennoch so selten geschieht in der Natur, liegt wohl darin, dass die Ringbildung dazu führt, dass sich das Protein anders faltet. Durch die Ringbildung dürften die meisten Proteine ihre eigentliche Funktion verlieren, sie werden wertlos für die Zellen. Eils und sein junges Heidelberger Team um die Ko-Leiterin der Truppe, Barbara Di Ventura, haben nun aus einem Enym namens Intein, das den Zellen als natürliches Werkzeug für die Bearbeitung und das Schneiden – auch für die Ringbildung – dient, ein Instrument der synthetischen Biologie gemacht. Mit ihrem künstlichen, aus dem Standardbaukasten der Molekularbiologie zusammengestellten Intein-Werkzeug haben sie es im Prinzip möglich gemacht,  aus „jedem Protein von Interesse“  ein Ringmolekül zu basteln, das nicht nur seine Zusammensetzung, sondern auch seine dreidimensionale Struktur und damit seine lebenswichtige Funktion behalten soll.

          Logo des iGEM-Teams aus Heidelberg

          Noch ist es lange nicht bewiesen, mit welchen Proteinen und in welchem Umfang das tatsächlich gelingt. Die Heidelberger iGEM-Studenten sind sich ihrer Sache aber offenbar sehr sicher. Sie haben nämlich zu den Laborexperimenten einen digitalen Feuerring-Werkzeugkasten programmiert, eine Open-source Software namens „LinCER“, die quasi den effizientesten und sichersten Weg der Proteinringbildung vorausberechnet.  „Das eröffnet gänzlich neue Anwendungsbereiche in hitzerelevanten Anwendungen der Biotechnologie“, sagt Eils, „und vor allem in der Vervielfältigung der DNA“. Ihre Inteine können also noch weit mehr als die Ringbildung von Proteinen zu bewerkstelligen. Es könnte die Erforschung des Erbguts revolutionieren. Mit ihrem Intein-Baukasten haben die Heidelberger Wissenschaftler – dreißig Jahre nach der Erfindung der mit dem Nobelpreis gekürten PCR-Methode zur Vermehrung von DNA – eine hitzestabile DNA-Methyltransferase entwickelt,  die es möglich macht, quasi fortgeschrittene Erbmoleküle zu programmieren und künstlich herzustellen.  Eine DNA-Helix, die nicht nur aus den klassischen  vier Basen A,C,G,T besteht, sondern aus die fünfte natürliche Base, das C mit Methylgruppe (mC)  eingebaut bekommt.

          Effizientere DNA-Vervielfältigungsmaschinerie

          Methylierte C-Bausteine sind gewissermaßen die natürlichen Stellschrauben für die Genprogrammierung. Das Anfügen von Methylgruppen dient als Schalter, um Gene aus- oder anzuschalten. Die dazugehörige Forschung, die Epigenetik, hat seit einigen Jahren eine enorme, zentrale Bedeutung erhalten. Nicht zuletzt, weil die epigenetische Prägung der Gene eine entscheidende  Eigenschaft ist, die unsere Individualität und unsere Reaktion auf Umwelt und Erziehung bestimmt. Anders nämlich als der von den vier Grundbasen geschriebene Gentext ist die epigenetische Programmierung der Zellen im Laufe des Lebens relativ leicht veränderbar – und damit auch zu beeinflussen.

          Die ringförmige Methyltransferase der Heidelberger Jungforscher ist, wie sich in den Experimenten gezeigt hat, deutlich stabiler beim „Zusammenbacken“ der Bausteine in der DNA-Vervielfältigungsmaschine und funktioniert unter Hitze klar besser. Das eröffnet gänzlich neue Aspekte der epigenetischen Forschung“, sagt Eils. Und wohl mehr als das: „Es könnte epigenetische Studien revolutionieren“, heißt es in der taufrischen Erfolgsmeldung des iGEM-Teams aus Massachusetts.

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