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Nobelpreis für Chemie : Grünes Licht für die Molekularbiologie

  • -Aktualisiert am

Bild: AFP

Für ihre Arbeiten an einem Protein, mit dem man Zellen und ganze Organismen zum Fluoreszieren bringen kann, wurde drei Wissenschaftlern von der Stockholmer Akademie der diesjährige Nobelpreis für Chemie zugesprochen.

          3 Min.

          Sattgrüne Wiesen, bunte Schmetterlinge, leuchtende Korallen - die belebte Natur erfreut das Auge immer wieder aufs Neue mit ihren üppigen Farben. Jenen Heerscharen von Biologen, die nicht im Freiland, sondern im Labor arbeiten und sich dort mit den Geweben, Zellen oder gar den Molekülen der Organismen beschäftigen, bleibt dieser Anblick gewöhnlich versagt. Je tiefer man in die Mikrowelt vordringt, desto grauer und trüber wird es dort meistens.

          Immer häufiger lässt sich aber in Laborschalen mit biologischem Material ein grünes Schimmern beobachten. Es rührt von einem Protein her, für dessen Entdeckung und Erforschung am gestrigen Mittwoch drei Wissenschaftlern der Nobelpreis für Chemie zugesprochen wurde. Der Japaner Osamu Shimomura sowie die Amerikaner Martin Chalfie und Roger Tsien haben mit dem "grün fluoreszierenden Protein", gewöhnlich kurz als GFP bezeichnet, der Molekularbiologie ein überaus wertvolles Werkzeug beschert. Es ermöglicht es, ansonsten unsichtbare Strukturen dem Auge zugänglich zu machen und den Erfolg etwa von gentechnischen Eingriffen zu dokumentieren. Mit GFP lässt sich zum Beispiel die Entwicklung von Nervenzellen oder die Ausbreitung von Krebszellen veranschaulichen.

          Elegante Experimente

          Wie so oft bei naturwissenschaftlichen Entdeckungen führte auch dieses Mal zunächst der Zufall Regie. Shimomura war 1960 von der Nagoya-Universität in die Vereinigten Staaten an die Princeton-Universität gekommen. Sein Interesse galt der Biolumineszenz, jenem Phänomen der biologischen Lichterzeugung, das etwa vom Leuchtkäfer her vertraut ist. In Princeton wandte er sich der Qualle Aequorea victoria näher zu. Diese an der nordamerikanischen Pazifikküste verbreitete Art besitzt zahlreiche Organe, die grünliches Licht aussenden. Shimomura gewann 1962 aus der Qualle ein Protein namens Aequorin, das für die Biolumineszenz zuständig zu sein schien.

          Überrascht musste der Forscher aber feststellen, dass isoliertes Aequorin nicht grün, sondern blau leuchtet. Mit seiner Arbeitsgruppe konnte er das Rätsel bald lösen. Die Forscher fanden ein zweites Protein, welches das für die Qualle charakteristische grüne Fluoreszieren zeigte - das GFP. In eleganten Experimenten kam Shimomura einem raffinierten Mechanismus auf die Schliche: Aequorin wird elektrisch - durch Kalziumionen - angeregt und reicht die Energie direkt an das GFP weiter. Wenn dieses wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, gibt es die Energie in Form von Fluoreszenzlicht ab - die Qualle leuchtet grün. Beim isolierten GFP tritt diese Fluoreszenz auch bei Bestrahlung mit ultraviolettem oder blauem Licht auf.

          Würmer zum Leuchten bringen

          Ohne die Forschungen Shimomuras hätte sich, wie es in der ausführlichen Begründung des Nobelkomitees heißt, die GFP-Revolution wahrscheinlich um Jahrzehnte verzögert oder alles wäre vielleicht ein im Pazifik verborgenes Geheimnis geblieben. So aber setzte sich gewissermaßen eine Lawine in Bewegung. Immer mehr Forscher gerieten in den Bann des leuchtenden Proteins. Im Jahr 1992 wurde auch Martin Chalfie an der Columbia-Universität in New York davon erfasst. Chalfie interessierte sich für die Entwicklung des Nervensystems bei dem winzigen, durchsichtigen Fadenwurm Caenorhabditis elegans, einer Spezies, die inzwischen zu den beliebtesten "Modellorganismen" der Genetiker und Entwicklungsbiologen zählt. Als er davon hörte, dass eine Forschergruppe um Douglas Prasher soeben das Gen für GFP sequenziert und kloniert hatte, ahnte er, welche Möglichkeiten sich dadurch eröffnen würden.

          Chalfie erwarb das klonierte Gen und schleuste es in den Fadenwurm ein. Im ultravioletten Licht begann Caenorhabditis elegans daraufhin grün zu fluoreszieren. Als der Forscher das Gen mit einem genetischen Element verknüpfte, das in sensorischen Nervenzellen des Wurms die Aktivität eines bestimmten Gens steuert, erstrahlten diese Zellen in grünem Licht. Auch in Kolibakterien ließen sich auf diese Weise Proteine markieren. Die Gruppe um Chalfie hatte somit der Forschung ein Verfahren bereitgestellt, die verschiedensten Gene gezielt mit GFP zu verknüpfen. Dadurch wurde es möglich, das Vorkommen bestimmter Proteine in Zellen und Geweben zu untersuchen, und das sogar während unterschiedlicher Entwicklungsstadien.

          Optimierung des Markers

          Dem dritten Nobelpreisträger, Roger Tsien von der Universität von Kalifornien, ist es in den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts gelungen, das im GFP steckende Potential für die Forschung noch besser auszureizen. Er hat zum einen den Mechanismus der Fluoreszenz weiter aufgeklärt und zum anderen nützliche Varianten des Proteins erzeugt. Durch gezielte punktuelle Veränderungen im Gen schuf er GFP-Proteine, die bei unterschiedlichen Wellenlängen fluoreszieren, und das noch dazu besonders hell. Wie Tsien gezeigt hat, kann man ein etwas verändertes GFP etwa als Sensor für Kalziumionen verwenden, sei es in Zellen und Zellorganellen oder in ganzen Organismen. Heute bilden die Varianten von GFP einen Werkzeugsatz, der in ungezählten Laboratorien genutzt wird - in der biologischen Grundlagenforschung ebenso wie bei der Erforschung von Krankheiten.

          Osamu Shimomura, 1928 in Kyoto geboren, studierte Pharmazie in Nagasaki. Nach seiner Promotion, 1960, wechselte er an die Princeton University in New Jersey, später an die Boston University in Massachusetts. Seit 2001 betreibt er sein eigenes Photo-Protein-Labor.

          Martin Chalfie, 1947 geboren und in Chicago aufgewachsen, wurde an der Harvard University in Cambridge ( Massachusetts) promoviert. Seit 1982 ist er Professor an der Columbia University in New York.

          Roger Tsien, 1952 in New York geboren, hat Physik und Chemie an der Harvard University studiert und ist in England an der University of Cambridge promoviert worden. 1981 wechselte er nach Berkeley. Seit 1989 arbeitet er an der University of California in San Diego.

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