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Die Highlights der Forschung 2018

Immer zu Beginn eines neuen Jahres analysiert das Fachmagazin Science das vergangene Forschungsjahr und veröffentlicht ein Ranking, welche wissenschaftlichen Entdeckungen die Welt am meisten vorangebracht haben. Auf Platz 1 wurden drei Techniken gewählt, die es ermöglichen, die Entwicklung eines Organismus in einer nie dagewesenen Genauigkeit Zelle für Zelle zu verfolgen. Und weitere sechs der übrigen neun wissenschaftlichen Durchbrüche stammen laut Science aus dem Bereich der Lebenswissenschaften(1) .

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Zelle für Zelle

Wie entwickelt sich aus einer einzelnen Zelle ein komplexes Lebewesen? Wodurch wird bestimmt, ob aus einer Zelle letztendlich eine Leber oder ein Arm wird? Und welche genetischen Mechanismen spielen bei der Regeneration von Geweben eine Rolle? Dank neuer Techniken sind Wissenschaftler bei der Beantwortung dieser Fragen einen enormen Schritt weitergekommen. Aufgrund ihres Potenzials, weitere Erkenntnisse in Medizin und Biologie hervorzubringen, wurden die Techniken zur Einzelzell-Untersuchung zum wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres 2018 gewählt. Der neue „Werkzeugkoffer“ der Forscher besteht aus insgesamt drei verschiedenen Methoden: Einzelne Zellen werden aus einem Gewebe isoliert, die aktiven Gene werden ausgelesen, und anschließend wird entweder mithilfe von Computern oder über die Markierung einzelner Zellen ein Gesamtbild der Interaktionen und des Wachstums erstellt. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Verfahren Single cell RNA sequencing (scRNA seq), bei dem das Transkriptom – also die Gesamtheit aller RNA-Transkripte – einer einzelnen Zelle ermittelt wird. Eine RNA ist chemisch eng mit der DNA verwandt und entsteht als Kopie eines Gens bei dessen Auslesen aus dem Erbgut. Die RNA dient als Vorlage für die Produktion von Proteinen in der Zelle. Mit scRNA seq lässt sich präzise feststellen, welche der Tausenden von Genen einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt der Entwicklung aktiv sind.

Bisher konnten nur ganze Gewebe oder Organe untersucht werden, die aus Hunderten bis Tausenden von Zellen in verschiedenen Entwicklungsstadien und Spezialisierungstypen bestehen(1) . Inzwischen ist es jedoch möglich, gezielt einzelne Zellen zu isolieren und diese anschließend mit scRNA seq zu untersuchen. Aus den so erhaltenen Daten lassen sich zunächst noch keine Informationen beispielsweise über die Rolle einzelner Zellen in der Entstehung von Organen ableiten, da der Zellverband aufgelöst wurde. Hat man jedoch ein interessantes Gen gefunden, können Wissenschaftler dieses mit einem Gen für ein fluoreszierendes Markerprotein koppeln und wieder in eine Zelle einbringen. Bei deren Entwicklung wird anschließend immer dann, wenn das untersuchte Gen aktiviert wird, auch das Markerprotein gebildet, wodurch man verfolgen kann, ob ein Gen etwa an der Ausbildung eines Organs beteiligt ist.

2018 zeigten Forscher, dass diese Kombination von Methoden genutzt werden kann, um 8000 Zellen eines Fruchtfliegen-Embryos auf einmal zu untersuchen. Aber auch Zebrafisch-Embryonen, Organoide aus menschlichen Zellen und der Axolotl-Salamander, der abgebissene Gliedmaßen vollständig regenerieren kann, stehen bereits im Fokus der Forscher(2) . Sie erhoffen sich unter anderem Erkenntnisse darüber, welche Gene an der Bildung von Geweben oder beim Auftreten bestimmter Krankheiten wie Krebs oder Diabetes beteiligt sind.

Strukturbestimmung in 30 Minuten

Neben dem „Breakthrough“ – dem Durchbruch des Jahres – kürte Science ebenfalls neun sogenannte „Runners-up“ – die Durchstarter des Jahres. Auch unter diesen waren Entdeckungen mit medizinischer Relevanz prominent vertreten. So zum Beispiel die bahnbrechende Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der 3D-Struktur von Arzneimittelwirkstoffen. Da diese Moleküle wie ein Schlüssel in ein Schloss passen müssen, ist es für die Wissenschaftler essenziell, deren jeweilige chemische 3D-Struktur zu kennen. Bisher standen dafür die Röntgenkristallografie und die Kernspin-Resonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) zur Verfügung. Jedoch lassen sich nicht von allen Molekülen Kristalle züchten, die groß genug für die Röntgenkristallografie sind, und für die NMR-Spektroskopie werden ausreichende Konzentrationen der Probe in einer hohen Reinheit benötigt. Die neue Technik basiert auf der bereits bekannten Elektronenbeugung und funktioniert ähnlich wie ein Computertomograf (CT) in der Medizin, kombiniert diese jedoch mit einem besonderen Detektor. Ein kleiner Kristall des Moleküls wird aus verschiedenen Richtungen mit Elektronen bestrahlt und aus der resultierenden Beugung der Strahlen anschließend dessen Struktur bestimmt. Dabei wird viel weniger Probenmaterial als bisher benötigt; zudem arbeitet das Verfahren auch viel schneller (etwa 30 Minuten im Vergleich zu mehreren Tagen bis zu Monaten) und kann die Strukturen mehrerer Inhaltsstoffe einer Probe gleichzeitig bestimmen(3) (4) .

Defekte Gene mit RNA stilllegen

Hervorgehoben wurde ebenfalls ein neuartiges Medikament zur Behandlung von Nervenschädigungen durch die ererbte (hereditäre) Transthyretin(hATTR)-Amyloidose. Das Medikament wurde im Sommer 2018 in Europa und den USA zugelassen. Bei Patienten mit dieser seltenen Erbkrankheit ist ein im Blut zirkulierendes Protein namens Transthyretin fehlerhaft und zerfällt leicht. Das zerfallene Protein bildet Amyloidablagerungen in Geweben und Organen im Körper, einschließlich im Bereich der Nerven, wo es deren normale Funktion behindert. Das neue Medikament enthält den Wirkstoff Patisiran, ein synthetisches RNA-Molekül – eine sogenannte „Small interfering RNA“ (siRNA), die in kleinen Lipidpartikeln verpackt ist und so über das Blutsystem in die Zellen gelangt. Diese siRNA bindet an das für die Produktion von Transthyretin zuständige Genmaterial der Zelle und blockiert es, sodass die Produktion von fehlerhaftem Transthyretin verringert und die Amyloidbildung reduziert wird. Dieses Ausschalten von Genen mit RNA nennt man RNA-Interferenz, kurz RNAi. In der Forschung wird RNAi bereits seit 20 Jahren eingesetzt, aber da RNAs als sehr instabil gelten, sind bisherige Versuche für eine medizinische Anwendung gescheitert. Mit dem neuen Medikament, dessen Entwicklung unter anderem auf Patenten der Max-Planck-Gesellschaft beruht, dürfte der Weg für eine ganze Reihe neuartiger Medikamente auf Basis der RNA-Interferenz geebnet sein, die Patienten zugutekommen könnten(5) .

Organisation in Tropfen

In einer Zelle herrscht ein ständiges Durcheinander: Tausende Proteine bauen Stoffe ab oder auf, kleine Moleküle wie Fette und Zucker müssen an ihre Lagerstätten gelangen und ein ganzer Apparat ist mit der Zellteilung beschäftigt. Wie in diesem Chaos spezifische Interaktionspartner zusammenfinden können, war Wissenschaftlern lange ein Rätsel, dem sie nun auf einer heißen Spur folgen. Anscheinend bilden sich häufig innerhalb des wässrigen Zellplasmas kleine, flüssige Aggregate von Proteinen, wenn diese zusammenarbeiten. Durch dieses Phänomen, das man Flüssig-Flüssig-Phasentrennung nennt, befinden sich die passenden Interaktionspartner immer in enger Nähe, was die biochemischen Vorgänge enorm beschleunigt. 2018 konnte beispielsweise bewiesen werden, dass solche Aggregate an der Übersetzung von DNA in RNA beim Auslesen von Genen beteiligt sind. Da dies viele neue Ansätze für die Zellbiologie liefert, zählt Science auch die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung zu den Durchstartern des Jahres 2018.

DNA als Zeitmaschine

Gleich zwei weitere Runners-up des letzten Jahres basieren auf der Sequenzierung des menschlichen Erbgutes, der DNA. In den USA konnten Ermittler zusammen mit Wissenschaftlern dank moderner Genetik mehrere ungelöste Mordfälle aus den 1970er- und 80er-Jahren klären. An den Tatorten wurden damals DNA-Proben sichergestellt, die sich jedoch bisher keinem Profil in der DNA-Datenbank der Polizei zuordnen ließen. Um den Täter zu überführen, nutzten die Ermittler deshalb nun eine öffentlich zugängliche Website, bei der jeder anhand seiner DNA einen persönlichen Stammbaum erstellen kann. Und tatsächlich ähnelte die Täter-DNA von damals mehreren Einträgen in der Stammbaum-Datenbank, sodass anhand der Rekonstruktion der Verwandtschaftsbeziehung der Mörder gefunden und verurteilt werden konnte.

Darstellung einer DNA-Abfolge auf einem Computermonitor

Noch länger zurück liegt die Zeit, für die sich ein Team von Wissenschaftlern interessierte, das Knochen eines Urmenschen aus einer sibirischen Höhle untersuchte. Als sie dessen Erbgut analysierten, stellten sie fest, dass die Mutter der Frau eine Neandertalerin, ihr Vater jedoch ein Denisova-Mensch war. Bisher wusste man zwar, dass moderne Menschen sowohl Neandertaler als auch Denisova-Menschen als Vorfahren haben. Die Entdeckung gewährt den Wissenschaftlern jedoch erstmals einen direkten Blick in die Kreuzung dieser Stämme und damit auch in unsere Ursprünge(6) .

Chemische Archäologie

Ein anderes Biomolekül nutzten Archäologen, um die Herkunft eines Fossils von Dickinsonia aus dem Weißen Meer in Russland zu klären. Die Wissenschaftler konnten bislang nicht eindeutig feststellen, ob es sich bei diesem Lebewesen um eine Pflanze oder ein Tier gehandelt hat. Mithilfe analytischer Methoden fanden sie jedoch 2018 Spuren eines chemischen Verwandten von Cholesterin an dem Fossil. Dieses Fett findet sich nur in tierischen Organismen, weshalb es sich bei diesem 550 Millionen Jahre alten Fund vermutlich um einen der ältesten Vorfahren der Tiere handelt. Inzwischen konnten Forscher mit dieser Methode sogar die Abstammung eines mehr als 630 Millionen Jahre alten Fossils ermitteln: Es handelt sich um eine Art von Ur-Schwamm.

Weitere Durchstarter

Auch die Physik machte 2018 einen Quantensprung. Im vergangenen Jahr konnte mithilfe einer riesigen Anlage zur Detektion von Neutrinos unter der Antarktis erstmals der Ursprung eines hochenergetischen Neutrinos ermittelt werden. Offenbar stammt dieses aus dem Kern einer anderen Galaxie, einem sogenannten Blazar. Weitere Durchstarter des Jahres 2018 waren für Science auch die Erkundung eines Meteoriteneinschlags in der Arktis mit einem Durchmesser von 31 Kilometern, der möglicherweise einen entscheidenden Einfluss auf das Klima hatte, sowie die Veränderungen in der Wissenschaft durch die MeToo-Debatte. Zukünftig sollen die Gleichstellung von Frauen und Männern besser unterstützt und Fehlverhalten beispielsweise durch den Entzug von Fördergeldern strikter bestraft werden.

Entwicklungen in Medizin und Biowissenschaften führten schon im Jahr 2017 das Science-Ranking an, und damit ist auch zukünftig zu rechnen(7) . Vermutlich werden wir also auch 2019 um viele Erkenntnisse reicher sein, von denen einige in neue und bessere Therapien zum Wohle der Patienten münden könnten.


Literaturtipps