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Nobelpreis für Gen-Schere : Entdeckung mit Sprengkraft

Charpentier und Doudna hatten im August 2012 erstmals gezeigt, dass das Erbmolekül DNA im Reagenzglas und in Bakterien erfolgreich editiert werden kann. Wenige Monate später publizierten Feng Zhang und George Church vom MIT, dass die Gen-Schere auch in lebenden menschlichen Zellen funktioniert. Diese Nutzung ist eigentlich die interessantere Anwendung, weil sie den Weg in die Medizin eröffnet. Der Litauer Virginijus Šikšnys hatte das Verfahren unabhängig von Charpentier und Doudna entwickelt und seine Veröffentlichung auch früher eingereicht als die beiden Forscherinnen, allerdings lehnte die Fachzeitschrift „Cell“ sein Manuskript damals ab, so dass es erst drei Monate nach der Veröffentlichung von Charpentier und Doudna anderswo publiziert werden konnte. Da standen Doudna und Charpentier schon im Rampenlicht.

Entdeckt wurde die Gen-Schere in Bakterien, bei ihnen gehört sie quasi zum Immunsystem. Die Mikroben wehren sich damit gegen ihre Feinde, sogenannte Bakteriophagen. Wenn die Bakterien ihre erste Begegnung mit einem Bakteriophagen überleben, bauen sie ein kurzes Stück seiner DNA in ihr Erbgut ein, quasi als molekulares Erinnerungsfoto an den unterlegenen Feind. Die Stelle im Erbgut, an der diese Trophäen hinterlegt werden, ist der sogenannte „Crispr“-Locus („Clustered regulatory interspaced short palindromic repeats“). Jede an dieser Stelle hinterlegte DNA-Sequenz ist zum Abschuss freigegeben. Bakterien suchen ständig nach diesen Bedrohungen, indem sie genetische Abschriften der entsprechenden Sequenzen in der Zelle herumreichen. Finden sie eine solche Sequenz, wird sie sofort zerschnitten und vernichtet.

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Im Überblick : Nobelpreisträger von 1901 bis 2021

Charpentier hat schon 2011 die Komponenten dieses Systems beschrieben und gezeigt, dass es wie ein Präzisionsskalpell funktioniert. Zusammen mit Doudna hatte sie dann die Idee, diese Gen-Schere derart herzurichten, dass sie jede beliebige DNA-Sequenz ansteuert und zerschneidet – und damit zum neuen Zauberstock für die Genchirurgie wird. Dafür haben sie die bakteriellen Komponenten nach allen Regeln der Kunst optimiert und perfektioniert. Der Clou ist eine programmierbare Führungssequenz, die die Stelle ausweist, die überarbeitet werden soll. Auf der Suche nach dieser Sequenz gleitet der Komplex mit dem Cas9-Enzym und der Führungs-RNA wie ein Schlitten über den DNA-Doppelstrang und prüft bei jedem Zwischenstopp, ob die mitgeführte Sequenz der jeweiligen Sequenzumgebung entspricht.

Trifft das zu, wird das Erbgut an der Stelle zerschnitten. Passt die Umgebungssequenz nicht zu der mitgeführten Führungs-RNA, sucht die Gen-Schere weiter. Editiert und redigiert wird das Genom dann bei der Reparatur der offenen Doppelstrang-Enden nach dem Zerschneiden der DNA. Dabei kann das Erbgut durchaus an mehreren Stellen gleichzeitig überarbeitet werden. Das Anwendungspotential erweitert sich quasi wöchentlich: Crispr-Cas9 kann nicht nur Gene abschalten, verändern oder andere Gene ersetzen. Heute werden auch Corona- und Malaria-Tests damit entwickelt.

Die Molekularbiologin Jennifer Doudna von der University of California in Berkeley.
Die Molekularbiologin Jennifer Doudna von der University of California in Berkeley. : Bild: EPA

Emmanuelle Charpentier wurde 1968 in Juvisy-sur-Orge in Frankreich geboren. Sie studierte Mikrobiologie, Genetik und Biochemie in Paris und promovierte am Institut Pasteur. Nach Stationen in New York, Memphis, Wien und Umea, kam sie 2013 auf eine Humboldt Professur nach Deutschland. Seit 2015 ist sie Direktorin am Max-Planck-Institut für Infektionsforschung in Berlin. Die Amerikanerin Jennifer A. Doudna wurde 1964 in Washington DC geboren und wuchs in Hilo auf Hawaii auf. Sie studierte Chemie am Pomona College in Kalifornien und promovierte an der Harvard Universität. Nach der Promotion arbeitete sie an der Universität Colorado und in Yale. Seit 2002 ist sie Professorin an der Universität Berkeley in Kalifornien.

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