Die wissenschaftlichen Highlights 2019

Das Fachmagazin Science hat das erste Foto eines schwarzen Lochs zum wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres 2019 gekürt. Unter den neun weiteren „Runners-up“ finden sich gleich fünf Entdeckungen aus den Lebenswissenschaften wie Therapiedurchbrüche bei Ebola und Mukoviszidose.

Ende 2019 kürte das renommierte Fachmagazin Science die wissenschaftlichen Durchbrüche des zu Ende gehenden Jahres. Als „Breakthrough of the Year“ wurde das erste Bild eines schwarzen Lochs ausgezeichnet – eine besondere Herausforderung, denn aufgrund ihrer hohen Masse ziehen schwarze Löcher sogar Photonen an, aus denen das sichtbare Licht besteht. Mit modernsten Techniken und mehreren Radioteleskopen ist es einem internationalen Team von Astronomen gelungen, Photonen mit Wellenlängen im Millimeter-Bereich einzufangen. Entstanden ist ein Foto, auf dem das Loch als schwarzer Kreis, umgeben von glühenden Gasen zu sehen ist. (1)

In die Liste der neun Durchstarter – der „Runners-up“ – des Jahres 2019 wurden gleich fünf Entdeckungen aus dem Bereich der Biowissenschaften gewählt. Neben der fachlichen Wertung einer Jury aus Wissenschaftsjournalisten konnte auch die Leserschaft von Science über die wissenschaftlichen Durchbrüche abstimmen. Auf Platz zwei bei der Publikumswertung kam dabei der Erfolg einer großen internationalen Kooperation im Kampf gegen das Ebola-Virus. Hier könnte nun eine Therapie für eine Erkrankung zur Verfügung stehen, die bisher in bis zu neun von zehn Fällen tödlich endet. (2)

Eine große Studie während der jüngsten Ebola-Epidemie in der Demokratischen Republik Kongo konnte 2019 früher als geplant beendet werden, weil zwei der vier getesteten Substanzen große Vorteile beim Überleben der behandelten Patienten bewirkten. In der Gruppe, die den monoklonalen Antikörper mAb114 bekamen, überlebten etwa 70 Prozent der Patienten. Isoliert wurde der Antikörper aus Immunzellen eines Ebola-Überlebenden. Auch das andere Präparat, das einen Überlebensvorteil von ca. 70 Prozent in der Studie zeigen konnte, basiert auf monoklonalen Antikörpern. Für deren Entwicklung wurden Mäuse mit einem Immunsystem ausgestattet, das genetisch dem des Menschen sehr ähnlich ist. (3)

Mukoviszidose – oder zystische Fibrose – ist eine genetisch bedingte Stoffwechselerkrankung, bei der Ionenkanäle in den Zellen nicht mehr richtig funktionieren. Dadurch können Sekretzellen ihren Wasserhaushalt nicht mehr regulieren, und vor allem in Lunge, Leber und Bauchspeicheldrüse der Patienten sammelt sich zähflüssiger Schleim. Eine Heilung für Mukoviszidose existiert bislang nicht, doch 2019 ist erstmals eine Therapie für die häufigste Genmutation in den USA zugelassen worden, die an der Ursache der Erkrankung ansetzt. Das Arzneimittel kombiniert die drei Wirkstoffe Elexacaftor, Tezacaftor und Ivacaftor mit dem Ziel, das betroffene CFTR-Protein wieder funktionsfähig zu machen. (4)

Die Aufgabe von CFTR ist es, Chlorid-Ionen durch die Zellmembran zwischen dem Zellinneren und dem extrazellulären Raum zu transportieren. Dazu muss das Protein aber zunächst in die Zellmembran eingebaut werden. Bei Mukoviszidose ist das zugehörige CFTR-Gen mutiert, und bei einigen der Mutationen schaffen es nur wenige Moleküle des Ionenkanals in die Membran. Elexacaftor und Tezacaftor binden während der Modifikation von CFTR an verschiedene Stellen des defekten Moleküls, um es zu stabilisieren und den Einbau in die Zellmembran zu fördern. Andere Mutationen bewirken hingegen, dass die Pore im Protein verschlossen ist und die Ionen nicht durch sie hindurchströmen können. Hier setzt Ivacaftor an, indem es das Öffnen des Kanals erleichtert und so mehr Chlorid-Ionen durch die Membran transportiert werden können. (5) (6)

Diese Wirkstoff-Kombination könnte für die betroffenen Patienten einen Therapiedurchbruch bedeuten – in die Liste der größten wissenschaftlichen Durchbrüche von 2019 hat sie es jedenfalls bereits geschafft. Präparate mit Ivacaftor und Tezacaftor sind schon länger zugelassen. Durch die Kombination mit Elexacaftor kann nun etwa 90 Prozent der Mukoviszidose-Patienten geholfen werden.

Ein großes Problem ist nach wie vor die Mangelernährung von Kindern. Laut Angaben des UN World Food Program sind schätzungsweise 150 Millionen Kinder weltweit unterernährt. Und vielen Kindern gelingt eine vollständige Erholung auch dann nicht, wenn sie wieder ausreichend mit Nahrung versorgt werden. Als Ursache haben Forscher nun 15 verschiedene Darmbakterien ausgemacht, die sich aufgrund der Mangelernährung nicht ausreichend entwickeln konnten. Anschließend überprüften sie, ob spezielle Diäten die Reifung dieser Mikroorganismen verbessern konnten. Als Marker für eine gesunde Darmflora nutzten die Wissenschaftler verschiedene Moleküle im Blut. (7) (8)

In Versuchen mit Mäusen stellten sie fest, dass etwa Bananen, Kichererbsen und Soja mehr zur Rekonstitution des Mikrobioms beitrugen als bisherige Ernährungsansätze mit Milchpulver oder Reis. Wie das Team zudem in einer Studie mit Kindern in Bangladesch zeigen konnte, kann die spezielle Ernährung deren Blutparameter verbessern. Jetzt gilt es für die Wissenschaftler zu zeigen, dass diese Effekte auch außerhalb einer definierten Testumgebung auftreten. (9)

Von den Science-Lesern wurden auf den ersten Platz der wissenschaftlichen Durchstarter des Jahres 2019 die neuen Erkenntnisse zweier Forscherteams zu den Denisova-Menschen gewählt. So ist es Wissenschaftlern aus China, Großbritannien und Deutschland gelungen, einen vor 40 Jahren in Tibet gefundenen Unterkiefer dieser ca. 50.000 Jahre alten Menschenart zuzuordnen. Weil sich aus dem Kiefer mit zwei ungewöhnlich großen Zähnen keine DNA mehr gewinnen ließ, wurde stattdessen die Proteinsequenz von Kollagen-Molekülen bestimmt. Durch einen Vergleich mit Kollagen aus Proben der ersten Fundstätte der Denisova-Menschen – der Denisova-Höhle in Sibirien – konnte bewiesen werden, dass der Unterkiefer aus Tibet dieser Menschenart zugeordnet werden kann. (10)

Einer Forschergruppe aus Israel ist es indes gelungen, anhand der DNA von Knochen eines Mädchens aus der Denisova-Höhle ihr Aussehen zu rekonstruieren. Dazu nutzten die Wissenschaftler das Wissen, dass die Genaktivität unter anderem durch Methylierung, also durch eine chemische Veränderung der DNA, gesteuert wird. Wird an eine Stelle in der DNA eine Methyl-Gruppe angebaut, so behindert diese das Auslesen der Gene. Die Information, welche Gene in der Denisova-DNA an- und welche ausgeschaltet waren, konnte anschließend mit einer Datenbank abgeglichen werden, in der einzelne Gene mit anatomischen Merkmalen lebender Menschen assoziiert wurden. (11)

Dass sich alle Lebewesen auf der Erde aus einer Ursprungszelle entwickelt haben müssen, gilt schon lange als gesichert. Systematisch werden alle Organismen in drei Domänen aufgeteilt: die Prokaryonten (Bakterien), Eukaryonten (Tiere und Pflanzen) und Archaeen. (12)

Ein japanisches Team konnte 2019 erstmals einen Einzeller kultivieren, der an der Schnittstelle von Eukaryonten und Archaeen einzuordnen ist. Denn eigentlich ist Prometheoarchaeum syntrophicum ein Archaeon, doch bei der Sequenzierung des Erbguts stellten die Forscher fest, dass dieser spezielle Einzeller viele Gene der Eukaryonten besitzt. Zudem zeigte sich in Experimenten, dass P. syntrophicum am besten wächst, wenn die Mikrobe mit bestimmten Bakterien zusammen kultiviert wird und dieser dabei Fortsätze bildet, die dazu dienen könnten, Bakterien in sich aufzunehmen. Bestätigt sich dies, wäre es möglich zu erklären, woher die als Mitochondrien bezeichneten Kraftwerke in den eukaryontischen Zellen stammen, die sich evolutionär aus Prokaryonten entwickelt haben müssen. Aufgrund dieser Erkenntnisse überlegen die Wissenschaftler bereits, ob es statt drei Domänen des Lebens nicht doch nur zwei gibt und Eukaryonten und Archaeen zu einer Domäne mit gemeinsamen Vorfahren gehören. Mit ihrer Forschung ist ihnen ein weiterer Durchbruch im Wissenschaftsjahr 2019 gelungen. (13)

Auch das Jahr 2020 dürfte wieder viele Durchbrüche in der Wissenschaft bringen, aber auch wieder neue Behandlungsmöglichkeiten für Patientinnen und Patienten, die auf früheren Durchbrüchen beruhen. Denn die forschenden Pharma- und Biotech-Unternehmen haben für zahlreiche Medikamente die EU-Zulassung beantragt oder kürzlich erhalten. Der Verband der forschenden Pharma-Unternehmen rechnet für 2020 mit der Markteinführung von mehr als 30 Medikamenten mit neuem Wirkstoff in Deutschland. (14)