Den Geheimnissen des Zellkerns auf der Spur

Mit Grundlagenforschung gegen Krebs

Mit raffinierten Mechanismen wehrt sich der Zellkern gegen Schäden, auch gegen Krebs-Medikamente. Der Grundlagenforschung zum Zellkern widmet sich das Institut für Molekulare Biologie in Mainz.

Sorgfältig bereitet Hanna Lukas die genetische Untersuchung vor. Mit einer Pipette lässt sie im Institut für Molekulare Biologie (IMB) in Mainz einen Tropfen Reagenzlösung in das winzige Röhrchen mit extrahierter DNA fallen. Ein bis vier Tage ist die Biotechnische Assistentin mit einem Protokoll beschäftigt, mehrseitigen Arbeitsanweisungen, die die DNA-Doppelhelix für das Sequenzieren vorbereiten. Diese speichert mit der Abfolge ihrer Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin das Erbgut aller Lebewesen.

Die fertig präparierte "Library"(Bibliothek) mit einzelnen DNA-Fragmenten bringt Hanna Lukas zum Sequenzierer, einem Gerät, das die Abfolge der Basen ausliest. Die neue Generation von Sequenzierern (Next Generation Sequencing, NGS) könne in drei Tagen das gesamte menschliche Genom mit 3,27 Milliarden Basenpaaren erfassen - wofür bei der ersten Entschlüsselung des menschlichen Erbguts bis zum Jahr 2003 etliche hundert Labors noch 13 Jahre gebraucht hätten, erklärt der Leiter der technischen Service-Einrichtungen (Core Facilities) des IMB, Andreas Vonderheit.

Forscher nutzen modernste Technik

"Ein großer Teil unserer Finanzierung geht an die Core Facilities", sagt die geschäftsführende Direktorin des Instituts, Helle Ulrich, mit Blick auf die Anfang Mai vereinbarte Förderung über 106 Millionen Euro für 2020 bis 2027, getragen von der Boehringer-Stiftung und dem Land Rheinland-Pfalz. "Die technischen Service-Einrichtungen stellen alle Methoden und Geräte bereit, mit denen unsere Forscher spielen können."

Am Institut forschen 18 Arbeitsgruppen zu jeweils eigenen Schwerpunkten der Zellforschung. Sie bekommen jeweils ein eigenes Budget und können damit frei umgehen - etwa zusätzliche Mitarbeiter einstellen oder Experimente umsetzen. Ein NGS-Sequenzierer kostet etwa 230.000 Euro. Die moderne Forschung in den Lebenswissenschaften sei sehr von Technologie getrieben, erklärt der IMB-Direktor für Wissenschaftsmanagement, Ralf Dahm. "Da gibt es kleine unscheinbare graue Kästen, die locker eine halbe Million kosten."

Grundlagenforschung mit enormem Potential

Die Ergebnisse der DNA-Sequenzierung gehen über die Bioinformatik an die Gruppe, die die Untersuchung in Auftrag gegeben hat. Die Genetik-Forscherin Ulrich etwa beschäftigt sich zusammen mit 18 Doktoranden, Postdoc-Wissenschaftlern und Assistenten mit der Frage, welche Mechanismen im Fall einer DNA-Schädigung dafür sorgen, dass der Defekt bei der Zellteilung nicht dupliziert wird. "Die Genom-Stabilität ist wichtig für das Verständnis, wie Krebs entsteht und wie Krebs geheilt werden kann", erklärt die Wissenschaftlerin. So sollen etwa Medikamente gegen Krebs die DNA so sehr schädigen, dass die Zelle stirbt. Dem wirken jedoch die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle entgegen - "deswegen ist es wichtig, diese eventuell gezielt ausschalten zu können".

Fortschritte in der Medizin seien nur möglich mit guter Grundlagenforschung, erklärt der Leiter des Biochemie-Zentrums der Universität Heidelberg, Felix Wieland. "Das IMB hat mit einer ganzen Reihe von Arbeitsgruppen, einer flachen Hierarchie und der Förderung des Austauschs eine wissenschaftlich fruchtbare Umgebung geschaffen, die bereits jetzt international beachtet wird und ein enormes Potenzial hat", sagt der frühere Präsident der Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (GBM).

Labor mit hohen Sicherheitsstandards 

Einige Forscher am IMB beschäftigen sich mit Mutationen, genetischen Veränderungen mit ganz unterschiedlichen Folgen. Dabei sorgen hohe Sicherheitsstandards dafür, dass keine veränderten Organismen das Labor verlassen können. Grundlagenforschung hat die Freiheit, losgelöst von ganz bestimmten Zwecken neuen Fragestellungen zu folgen. "Bei vielen Projekten wissen wir nicht, was uns erwartet", sagt Dahm. "Wir lassen uns einfach überraschen."

Molekularbiologische Forschung ist somit oft ein Aufbruch ins Ungewisse - ähnlich wie der Naturforscher Alexander von Humboldt 1799 in das heutige Kolumbien gereist ist. "Man fängt an, in eine bestimmte Richtung zu gehen, gelangt zu einer Entdeckung und geht dann in eine völlig neue Richtung", beschreibt Dahm die mitunter sprunghaften Forschungswege. Daher könnten sich Schwerpunkte auch schnell ändern. "Was das IMB heute macht, kann in zehn Jahren völlig langweilig sein."

In der "Science Lounge" finden die 235 Wissenschaftler und Beschäftigten am Institut, unter ihnen auch 83 Doktoranden, beim Kaffee zum zwanglosen Austausch zusammen. Gesprochen wird Englisch, die Forscher kommen aus mehr als 30 Ländern. "Wir wollen die besten Leute hier haben, die wir bekommen können, ob aus Indien oder aus Mainz", erklärt Dahm.

Zum Konzept der außeruniversitären Forschungseinrichtung auf dem Gelände der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz gehört aber auch eine regelmäßige Überprüfung, was in den Gruppen geleistet wird. Die zentrale "Währung" sind wissenschaftliche Veröffentlichungen, am besten mit einem Paper in einer renommierten Zeitschrift wie Science oder Nature.

Sollten die Forschungsergebnisse gerade mit Blick auf die Förderung durch Steuermittel öffentlich zugänglich sein? Direktorin Ulrich bejaht diesen als "Open Access" bezeichneten Grundsatz, schränkt aber ein: "Wo immer dies möglich ist, tun wir das auch." Ein Problem sei noch die Prüfung von Ergebnissen durch externe Gutachter, da diese Peer Review vor allem von Fachverlagen organisiert werde.

Die Entwicklung einer neuen Technik zur DNA-Sequenzierung könnte der Zellforschung in den nächsten Jahren neuen Schub geben. "Mobile Geräte für das Nanopore Sequencing (NPS) werden den Preis enorm drücken", erwartet Vonderheit. "Dann kostet eine Sequenz nur noch ein paar hundert Euro." Und die Vorbereitung einer Probe zur Sequenzierung verkürzt sich auf wenige Minuten.

Auch die Gen-Schere Crispr/Cas beflügelt die Fantasie der Wissenschaft. Zugleich lässt sie Ängste wachsen. In den USA liegen erste Resultate der neuen Technik schon im Einkaufskorb. 

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