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MonatsarchivJanuar 2013

Zellteilung einmal anders

Die Zelle bzw. den Zellkern vergleichen wir einmal mit einem Klassenzimmer, in dem sich natürlich Chromosomen, also Schüler befinden. Nur sind dies keine normalen Schüler. Aber wer kann von sich schon behaupten, er sei normal!  Jeder Schüler ist eigentlich ein siamesisches Zwillingspaar (sind an einer Stelle ihres Körpers miteinander verbunden), wobei jeder Zwilling …
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Die Sprache des Lebens

Vor genau 55 Jahren offenbarte sich zwei jungen Forschern die Struktur des Erbmoleküls DNS. Es war zugleich Geburtsstunde einer neuen Wissenschaft vom Leben und Startschuss zum Eingriff in die Schöpfung. Doch nun wird sich die Zunft der Genforscher zunehmend ihrer Grenzen bewusst.

Was sich wirklich an jenem 28. Februar in der Cambridger Kneipe „Eagle“ zugetragen hat, wird sich wohl nie klären lassen. Der Nachwelt wird nur die Version jenes Samstags in Erinnerung bleiben, die James Watson in die Welt gesetzt hat.

Mittags gegen eins stapften seinem Bericht zufolge zwei junge Männer heftig mit den Armen rudernd aus der Kälte in ihr Stammlokal. Beide wirkten sehr erregt. Dennoch schienen den Jüngeren der beiden, einen schlaksigen, etwas schüchternen 24-jährigen Amerikaner, die allzu großmäuligen Reden des Älteren zu genieren.

Der redete, wie meistens, zu laut, zu schnell und viel zu viel. Mit dröhnender Stimme fabulierte er irgendetwas von Basenpaaren, Nukleinsäuren und Vererbung. Vor allem aber verkündete er jedem, der es nicht wissen wollte: „Gerade haben wir das Rätsel des Lebens geknackt.“

Ob Francis Crick damals tatsächlich schon die volle Bedeutung der Entdeckung begriffen hatte … weiterlesen

Ein Hoch auf die Kopie

Ein Hoch auf die Kopie

Ian Wilmut, Schöpfer des Klonschafs Dolly, erhält einen der angesehensten deutschen Forschungspreise. Jetzt will er Menschenzellen klonen. Das ist in Deutschland verboten. Im Gespräch verteidigt der britische Forscher die Versuche

DIE ZEIT: Gratulation zum Paul Ehrlich-Preis, einem klassischen Vorläufer zum Nobelpreis. Waren Sie schon einmal für Stockholm nominiert?

Ian Wilmut: Ich bin sehr erfreut und stolz, den Preis zu erhalten. Ob ich in Stockholm jemals vorgeschlagen wurde – das weiß ich nicht.

ZEIT: Ihr jüngstes Projekt, Klonen menschlicher Zellen zu Forschungszwecken, wäre in Deutschland verboten. Der Paul-Ehrlich-Preis wird zur Hälfte vom Bundesgesundheitsministerium finanziert. Das hat bereits Proteste ausgelöst.

Wilmut: Ach ja? In meiner Festvorlesung werde ich darlegen, warum diese Forschung sinnvoll ist.

ZEIT: Was sind Ihre wichtigsten Argumente?

Wilmut: Die Übertragung von Zellkernen durch Klonen ermöglicht es, Erbkrankheiten auf eine Weise zu studieren, die sonst nie möglich wäre.

ZEIT: Worin besteht diese Einzigartigkeit?

Wilmut: Bei einer familiär bedingten Krankheit können Sie die Veranlagung auf den geklonten Embryo übertragen, auf die Stammzellen und Zellkulturen, die sich aus ihm gewinnen lassen. So können wir im Labor kranke Zellen viel gründlicher studieren, als es je an Patienten möglich wäre. Wir wollen Motoneuronen studieren, jene motorischen Nervenzellen, die Muskeln steuern und deren Ausfall zu Lähmungen führt. Die Krankheit heißt ALS, Amytrophe Lateralsklerose.

ZEIT: Die ALS, an der auch der Physiker Stephen Hawking und der Maler Jörg Immendorff leiden, ist eher selten. Rechtfertigt solche Forschung das Opfern von Embryonen?

Wilmut: Neben der ALS gibt es viele Erbkrankheiten, die sich mit der Klontechnik genauer erforschen ließen. Die fundamentalen ethischen Differenzen beim Forschungsklonen beruhen auf unterschiedlichen Ansichten zum Embryonenschutz. Für mich sind Bewusstseins- und Erkenntnisfähigkeit zentrale Elemente des Menschseins, die sich erst nach vielen Schwangerschaftswochen ausbilden können. Die Embryonen, die wir nutzen, sind noch winzig, kleiner als ein Sandkorn, und haben sicher noch kein Bewusstsein.

ZEIT: In Deutschland sind Embryonen von Beginn an streng geschützt, Forschungsklonen ist verboten. Werden die hiesigen Stammzellforscher dadurch langfristig ins Hintertreffen geraten?

Wilmut: Natürlich. Dies betrifft nicht nur Deutschland, sondern mehrere europäische Staaten. Der Wettbewerb ist allerdings weniger innereuropäisch, sondern global. Um da zu bestehen, müssten wir Europäer uns gemeinsam anstrengen.

ZEIT: Um das Milliardenprogramm in Kalifornien oder die intensive Forschung etwa in Singapur oder Korea parieren zu können?

Wilmut: Genau. Allerdings glaube ich keineswegs, alle müssten das Gleiche tun und denken wie wir in Großbritannien. Ich werde in Frankfurt unsere Auffassung erklären, erwarte aber nicht, dass jeder zustimmt. Zu diesen ethischen Fragen gibt es unterschiedliche Positionen, darüber muss jedes Land selbst entscheiden.

ZEIT: Ein zentraler Kritikpunkt am Klonen sind die hohen Risiken von Fehl- und Missbildungen durch diese Technik.

Wilmut: Korrekt. Deshalb bin ich auch strikt gegen das reproduktive Klonen, das Zeugen von Menschen auf diesem Wege.

ZEIT: Laut Paul Ehrlich-Stiftung ist noch unklar, ob Dollys früher Tod mit dem Klonen zusammenhing, in der Presse heißt es oft, Dolly war ein vorzeitiges Opfer des Klonens. Was stimmt nun?

Wilmut: Dolly ist nicht an Spätfolgen des Klonens gestorben, sondern an einem von Viren bedingten Lungentumor.

ZEIT: Gesunde geklonte Tiere sind jedoch die Ausnahme. Gilt das nicht auch für die menschlichen Klonzellen, an denen Sie forschen wollen?

Wilmut: Deshalb werden wir sorgfältig darauf achten, wie normal die Zellen sind, die wir beforschen.

ZEIT: Der kritische Punkt beim Klonen ist eine Neuprogrammierung des Erbgutes von erwachsenen Wesen auf einen embryonalen Zustand. Wie wollen Sie dies bei Ihren Experimenten gewährleisten?

Wilmut: Das lässt sich nicht absolut sicherstellen. Darum werden wir auch sehr genau prüfen, ob eventuelle Folgen des Klonens unsere Ergebnisse verfälschen könnten.

ZEIT: Wie soll das gelingen?

Wilmut: Durch Vergleiche. Wir kennen bereits ein Gen, das für etwa zwei Prozent der ALS-Fälle verantwortlich ist. Wenn wir dieses Gen in geklonte Stammzellen einführen, können wir schauen, ob es sich dort anders verhält als in normalen, ungeklonten Zellen. Mit solchen Methoden können wir etwaige störende Einflüsse durch das Klonen prüfen.

ZEIT: Das Projekt der ehemaligen »Dolly-Firma« PPL-Therapeutics, aus der Milch geklonter Schafe wertvolle Eiweißmedikamente zu gewinnen, ist gescheitert. Woran lag es?

Wilmut: Hauptsächlich an wirtschaftlichen Faktoren, die ich nicht beurteilen kann, weil ich kein Wirtschaftsfachmann bin. Die Technik als solche ist okay und wird weiter verfolgt, in den USA werden entsprechende Medikamente klinisch getestet.

ZEIT: In welchen Bereichen sehen Sie eine wachsende Bedeutung des Klonens?

Wilmut: Erstens im bereits erwähnten Studium von Erbkrankheiten. Zweitens bei präzisen genetischen Veränderungen in Tieren. Das Klonen ist der einzige Weg, genau definierte Genvarianten in Tiere einzuschleusen. So kann man die Rolle einzelner Gene studieren – mit einer Fülle von Anwendungsmöglichkeiten. Sei es um Krankheiten besser zu verstehen oder um Merkmale zu verändern, etwa die Immunität gegen Krankheiten. Oder um menschliche Antikörper aus Rindern zu gewinnen, wie derzeit in den USA. Die Antikörper könnten dann zur Therapie oder zur Diagnostik dienen.

ZEIT: Es gab hochfliegende Hoffnungen, künftig Hochleistungskühe und -pferde oder sonstige Nutztiere zu klonen, aber auch die Schmusekatze oder den Hund. Die Lotterie des Klonens hat jedoch viele Enttäuschungen verursacht. Experten warnen sogar, der Charakter eines Lieblingshundes lasse sich gar nicht klonen. Stimmt das?

Wilmut: Bei der derzeitigen Technik ja. Erschwerend kommt hinzu, dass Charakterzüge nicht nur genetisch geprägt sind, die Verschiedenheit eineiiger Zwillinge zeigt das. Die jetzige Technik ist noch zu ineffizient für einen breiten Einsatz in der Tierzucht. Werden die Schäden und Risiken jedoch minimiert, dann spricht prinzipiell nichts gegen eine Verbreitung des Klonens in der Landwirtschaft. In der Pflanzenzucht ist es schließlich längst Praxis.

ZEIT: Wie ließe sich die Zuverlässigkeit der Klontechnik prinzipiell steigern?

Wilmut: Hauptsächlich durch Vorbehandeln der Spenderzelle, aber auch der Eizelle, um die Neuprogrammierung der alten DNA zu verbessern.

ZEIT: Und wo könnte das Klonen wichtige Fortschritte bringen?

Wilmut: Das Verfahren ist zu schwierig und zu teuer, um etwa sehr viele Patienten mit Zellen aus geklonten Embryonen behandeln zu können. Ich glaube, der wichtigste Fortschritt ist eine Veränderung des Denkens. Dolly hat das Vorurteil widerlegt, die Funktion erwachsener DNA sei festgeschrieben. Irgendwann werden wir lernen, sie gezielt zu verändern. Dann wird man etwa Parkinsonpatienten Blutzellen entnehmen und diese verjüngen auf einen regenerationsfähigen Status, der nicht unbedingt bis zum Embryo zurückreichen muss.

ZEIT: Dann wäre Klonen nur eine Lernphase, aber für die Therapie künftig entbehrlich?

Wilmut: Ja, das gilt für die Humanmedizin.

Das Gespräch führte Hans Schuh                                                  (c) DIE ZEIT 10.03.2005 Nr.11

Erbgut in Auflösung

Erbgut in Auflösung

DIE ZEIT, 12. Juni 2008

Das Genom galt als unveränderlicher Bauplan des Menschen, der zu Beginn unseres Lebens festgelegt wird. Von dieser Idee muss sich die Wissenschaft verabschieden. In Wirklichkeit sind unsere Erbanlagen in ständigem Wandel begriffen. VON ULRICH BAHNSEN

Vor zwei Jahren saßen an der University of California in Berkeley 25 Genetiker zusammen, um die scheinbar simple Frage … weiterlesen

Menschliches Genom (fast) entschlüsselt

Menschliches Genom (fast) entschlüsselt!

Am 12. Februar 2001 veröffentlichten die Wissenschaftler des Human Genome Projects (HGP) und der amerikanischen Biotech-Firma Celera Genomics ihre Arbeiten zur Erforschung des menschlichen Genoms. Die Forschergruppen aus den USA, Großbritannien, Deutschland, Frankreich, Japan und China, die zum HGP gehören, veröffentlichten ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin „Nature“. Die Erkenntnisse der Wissenschaftler von Celera Genomics, allen voran Craig Venter, sind im US-Fachmagazin „Science“ nachzulesen.

Beide Forschergruppen hatten sich zuvor ein technisch hochgerüstetes Wettrennen um die Entschlüsselung geliefert und eine grobe Karte des über drei Milliarden Bausteine umfassenden Erbguts bereits im vergangenem Jahr vorgestellt. Nun präsentieren sie gleichzeitig weitere Erkenntnisse:

  • Venter schätzt die Zahl der menschlichen Gene auf 26.000 bis 39.000. Das Human-Genom-Projekt geht von 30.000 bis 40.000 aus. Zuvor waren 100.000 oder gar 140.000 geschätzt worden. Damit sind es nur wenig mehr Gene, als die Fruchtfliege (rund 17.000) oder ein einfacher Wurm (rund 18.000) besitzen. Aus den komplizierter aufgebauten menschlichen Genen gehen allerdings mehr Proteine hervor als bei diesen niederen Tieren.
  • Jeder Mensch hat 99,99 Prozent seiner Erbanlagen mit anderen Menschen gemein, schreibt das Team um Craig Venter im Fachjournal „Science“. Dabei machen Merkmale wie die Hautfarbe so gut wie keinen Unterschied aus.
  • Ein großer Teil der Mutationen (Genveränderungen) tritt bei der Entstehung von Samenzellen auf. Die Mutationsrate ist dabei etwa doppelt so hoch wie beim Entstehen der Eizellen von Frauen (HGP).
  • Ein Viertel des Genoms besteht aus „Wüsten“, in denen keine oder nur sehr wenige Gene liegen, die zudem nur sehr selten abgelesen werden. Die HGP-Forscher sprechen davon, dass nur zwei Prozent des menschlichen Genoms „aktiv“ Proteine zur Steuerung der Körperfunktionen bildet. Andererseits haben die Forscher so genannte Hot Spots ausgemacht. Dort liegen zahlreiche besonders aktive Gene.
  • 223 Gene des Menschen sind denen von Bakterien ähnlich. Sie sind wahrscheinlich im Laufe der Evolution von den Vorfahren des Menschen aufgenommen worden und bis heute erhalten geblieben (HGP).
  • Mehr als ein Drittel der DNS (35,3 Prozent) besteht aus so genannten repetitiven Sequenzen (Celera). Laut HGP ist es sogar fast die Hälfte (45 Prozent). Dort wird eine immer gleiche Abfolge von verschiedenen Bausteinen der Erbsubstanz wiederholt, über den genauen Sinn streiten die Forscher.

Die britische Wissenschaftszeitschrift „Nature“ wollte die Ergebnisse am Montag weltweit zeitgleich in mehreren Hauptstädten vorstellen und am 15. Februar publizieren. „Nature“ will 160 Seiten seiner neuesten Ausgabe den Erkenntnissen der Genetik widmen, davon allein 60 Seiten der Sequenzierung des Humangenoms.

Die Darstellung des Gesamtgenoms besitzt allerdings einen erheblichen Umfang, vergleichbar mit 1000 Büchern zu 100 Seiten, ist im Internet zugänglich und wird dort ständig aktualisiert. Das US-Fachmagazin „Science“ hatte für Montagabend eine Pressekonferenz in Washington angekündigt.

 

Citratzyklus

Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus) ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen, der eine wichtige Rolle im Stoffwechsel (Metabolismus) aerober Zellen von Lebewesen spielt und hauptsächlich dem oxidativen Abbau organischer Stoffe zum Zweck der Energiegewinnung und der Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen dient. Das beim Abbau von Fetten, Zuckern und Aminosäuren als Zwischenprodukt entstehende Acetyl-CoA wird darin zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut. Dabei werden sowohl für den Aufbau organischer Körperbestandteile des Lebewesens (Anabolismus) nutzbare Zwischenprodukte gebildet wie auch direkt und indirekt Energie in biochemisch verfügbarer Form (als Adenosintriphosphat ATP) zur Verfügung gestellt.
Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma ab. Eine umgekehrte Reaktionsfolge findet im sogenannten reduktiven Citratzyklus statt, der zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation mancher Bakterien dient.

In den Citratzyklus münden Abbauprodukte verschiedener Nährstoffe, die im Stoffwechsel abgebaut werden. Acetyl-CoA, an das Coenzym A gebundene Essigsäure, kann dabei als das zentrale Abbauprodukt verschiedener Nährstoffklassen bezeichnet werden. Aus Fettsäuren beispielsweise werden durch β-Oxidation direkt Acetyl-CoA-Moleküle gebildet. In der Glykolyse werden Kohlenhydrate zu Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut, dieses wird dann durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetat decarboxyliert und der Acetylrest wird an Coenzym A gebunden. Schließlich werden auch Proteine zu Aminosäuren hydrolysiert, die sich nach Desaminierung in ihre korrespondierenden α-Ketosäuren überführen lassen, beispielsweise α-Ketoglutarat aus L-Glutaminsäure oder Oxalacetat aus L-Aspartat. Diese Ketosäuren sind häufig Intermediate des Citratzyklus und fließen direkt darin ein.
Beim Abbau von Acetyl-CoA über den Citratzyklus wird Energie in Form von GTP gewonnen, darüber hinaus auch Reduktionsäquivalente (NADH, FADH2). Bei diesen Vorgängen wird der Acetylrest des Acetyl-CoA schrittweise zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Die im Citratzyklus gewonnenen, an Coenzyme (NAD+ und FAD) gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den terminalen Elektronenakzeptor Sauerstoff (O2) übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden.
Der Citratzyklus dient außerdem als Lieferant verschiedener Vorläufermoleküle für den Anabolismus. Beispielsweise können α-Ketosäuren dem Zyklus entnommen werden, um daraus Aminosäuren oder andere Stoffe zu bilden.

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Lichtsättigungspunkt

Der Lichtsättigungspunkt (LSP) gibt den Punkt an, ab dem die Photosyntheseleistung einer Pflanze durch Erhöhung der Lichtintensität nicht mehr gesteigert werden kann, das heißt die Sauerstoffproduktionsrate konstant bleibt.

CAM-Pflanzen

CAM-Pflanzen, Pflanzen, die starken Wasserverlust vermeiden, indem sie tagsüber ihre Stomata geschlossen halten und nur nachts öffnen, damit CO2 ins Blattinnere gelangen kann und somit für die CO2-Fixierung zur Verfügung steht. Als Anpassung weist ihr Stoffwechsel einige Besonderheiten auf, wobei CAM für Crassulaceen-Säurestoffwechsel (engl. crassulacean acid metabolism) steht. Dabei wird CO2 im CAM-Weg nachts durch das Enzym PEP-Carboxylase in Form von HCO3- im Cytosol unter Bildung von Oxalacetat fixiert, das wiederum zu Malat reduziert wird. Malat gelangt in die Vakuole und wird dort in Form von freier Äpfelsäure gespeichert (diurnaler Säurerhythmus oder Dikarbonsäurezyklus). Es besteht somit eine zeitliche Trennung zwischen der CO2-Fixierung im Dikarbonsäurezyklus (Nacht) und der Fixierung bzw. Weiterverarbeitung im Calvinzyklus (Tag).

Multienzymkomplex

Multienzymkomplexe sind Gruppen von Enzymen, die aufeinanderfolgende Schritte im Metabolismus der Zelle katalysieren und miteinander assoziiert sind. Alle Organismen nutzen dieses Prinzip, das einen wichtigen Schritt bei der Vervollkommnung der katalytischen Effizienz darstellt.

Rubisco

Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase (RuBisCO) ist dafür verantwortlich, dass alle photosynthetisch aktiven Pflanzen und Bakterien Kohlenstoffdioxid aufnehmen können, weshalb es vermutlich das mengenmäßig häufigste, wasserlösliche Protein der Erde ist. Als einleitender Schritt im Calvin-Zyklus kondensiert RuBisCO ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO2) an Ribulose-1,5-bisphosphat.