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Aus dem Basensumpf den Text herauslesen

Seit rund zwei Jahren gibt es sie nun – die Genomsequenz des Kleinen Blasenmützenmooses (Physcomitrella patens). Die Forschung an dem biotechnologisch interessanten Pflänzchen ist seitdem einfacher und schneller geworden. Aber ist die Arbeit schon getan? Prof. Dr. Ralf Reski und sein Team von der Universität Freiburg haben die Genomanalyse initiiert und waren maßgeblich an ihr beteiligt. Sie wissen: Die Buchstabenabfolge weist noch viele Lücken und Fehler auf. Und bis auf einige Passagen ist der von ihr codierte Text noch größtenteils unverstanden. Wie schaffen die Freiburger es, sich in dem Chaos aus Millionen von Buchstaben und Satzschnipseln zurechtzufinden?

Das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) in natura. © Prof. Dr. Ralf Reski

Warum ist die Genomsequenz von Physcomitrella patens so wichtig? Das unscheinbare Pflänzchen gehört zu den Moosen, einer Gruppe von Pflanzen, die vor rund 450 Millionen Jahren den Schritt aufs Land vollzogen. Es ist also das perfekte Studienobjekt für die Fragen nach der Evolution der modernen Landpflanzen. Seine Zellen beherrschen außerdem viele urtümliche Stoffwechselwege, die den heutigen Samenpflanzen verloren gegangen sind. Sie produzieren zum Beispiel langkettige, ungesättigte Fettsäuren wie die Arachidonsäure, die für die Gesundheit des Menschen wichtig ist. Darüber hinaus hält das Moos lange Trockenperioden oder extrem hohe Salzkonzentrationen im Boden aus. „Versteht man, wie diese Fähigkeiten auf der molekulargenetischen Ebene zustande kommen, kann man sie den landwirtschaftlich relevanten Samenpflanzen künstlich einbauen“, sagt Prof. Dr. Ralf Reski vom Lehrstuhl für Pflanzenbiotechnologie am Institut für Biologie II der Universität Freiburg.

Bioinformatik und Kenntnis des Organismus unabdingbar

Neben den eher anwendungsorientierten Aspekten besticht Reskis Modellorganismus durch seine Fähigkeit, fremde DNA passgenau in sein Erbgut einzubauen. Dieses als homologe Rekombination bezeichnete Phänomen macht genetische Manipulation im Labor besonders sicher und effizient. Das Prinzip haben sich der Biotechnologe und seine Mitarbeiter nutzbar gemacht, indem sie begannen, für den Menschen relevante Antikörper oder pharmazeutische Proteine in der Pflanze zu produzieren. Heute wird dieses sogenannte Molecular Farming in der von Reski und dem Freiburger Zellbiologie-Professor Gunther Neuhaus 1999 gegründeten Firma greenovation Biotech GmbH im industriellen Stil betrieben.

„Weil das Kleine Blasenmützenmoos alle diese nützlichen Eigenschaften hat, haben wir 2004 in Freiburg beschlossen, ein Genomprojekt zu starten“, sagt Reski. Unterstützung bekamen die Forscher von amerikanischen, britischen und japanischen Kollegen sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die Sequenzen des Erbguts lieferte das Joint Genome Institute (JGI) aus Kalifornien, die Freiburger steuerten vor allem ihr biologisches und bioinformatisches Knowhow bei, was ein unverzichtbarer Aspekt bei der Entschlüsselung eines Genoms war. Denn die bloße Basensequenz stellt eine nichts sagende Anhäufung von Buchstaben dar, die erst mit dem nötigen Hintergrundwissen über einen Organismus und mit den entsprechenden Computeralgorithmen zu einem sinnvollen Gesamtbild zusammengesetzt werden kann.

Das Genom als Puzzlebild

„Obwohl das Erbgut des Mooses seit 2007 sequenziert ist, sind wir heute im Prinzip noch in der Initialphase des Genomprojekts“, sagt Dr. Daniel Lang, einer der Bioinformatiker aus Reskis Gruppe. Die Sequenz wurde mit der sogenannten Shotgun-Methode entschlüsselt. Bei diesem Vorgehen fragmentieren Wissenschaftler die DNA mit Ultraschall nach dem Zufallsprinzip in Stücke von etwa Tausend Basenpaaren Länge und bestimmen deren Basenabfolge. Bei einer Gesamtgenomgröße des Kleinen Blasenmützenmooses von 500 Megabasenpaaren und bei dem aus Statistikgründen nötigen achtfachen Durchlauf bedeutet das einen riesigen Buchstabensalat. Die Arbeit der Bioinformatiker in Freiburg besteht seither darin, in den Millionen von zufällig geschnittenen DNA-Stücken überlappende Sequenzen zu finden, denn diese deuten mit großer Wahrscheinlichkeit auf eine ursprüngliche Nachbarschaft im Genom hin. Mithilfe des Computers setzen sie solche Stücke zu immer längeren zusammenhängenden Sequenzen zusammen. Eine mühsame und zeitintensive Arbeit - aber mit der Zeit ergibt sich das Puzzlebild des Genoms, das nur noch wenige Lücken hat.

Viele Moosproben müssen Prof. Dr. Ralf Reski und seine Mitarbeiter züchten, um die Geheimnisse des Pflänzchens zu enthüllen. © Prof. Dr. Ralf Reski

„Heute haben wir die ursprüngliche Millionenmenge von Schnipseln auf zwei Tausend längere Sequenzen reduziert“, erklärt Lang. „Im Optimalfall sollten wir die Lücken dazwischen so schließen können, dass am Ende nur 27 lange Sequenzen übrig bleiben. Das ist nämlich die Anzahl der Chromosomen von Physcomitrella.“ Helfen können dabei auch Informationen über die relativen Entfernungen zwischen Genen, die die Forscher durch klassische Kreuzungsexperimente zwischen verschiedenen Wildisolaten erhalten. Solche Versuche liefern ein grobes Gerüst, die genetische Karte, auf dem die Bioinformatiker ihre Sequenzen anordnen können.

Abseitige Grundlagenforschung?

Aber was hat man mit dieser Arbeit gewonnen? Steht am Ende nicht nur eine unendlich lange Kette von Buchstaben, ohne dass irgendjemand wüsste, nach welchen Regeln die Wörter gebildet werden können? Anders gefragt: Wo in diesem Chaos sind eigentlich die Gene und welche Funktion erfüllen sie? Eine Suche nach vergleichbaren Sequenzen in anderen bekannten Genomen wie dem von Arabidopsis kann nur bedingt helfen. Moos und Ackerschmalwand sind stammesgeschichtlich weit von einander entfernt, das Erbgut weist zu wenige Ähnlichkeiten auf. Eine andere Möglichkeit ist, dass Forscher die von dem Moos gebildeten Vorläufer für Proteine (also die mRNAs) zurück in DNA übersetzen. Mit der Genomsequenz abgeglichen, müssten sich die Stellen auf dem Erbgut finden lassen, an denen die Gene für diese Proteine sitzen. Genau das machen Reski und seine Mitarbeiter zurzeit mit der Unterstützung durch Kollegen aus Japan. „Um das Bild immer weiter zu vervollständigen, ist es wichtig, dass die internationale Moos-Gemeinschaft gut zusammenarbeitet“, sagt Lang. „Forscher, die bestimmte Moos-Gene untersuchen, geben uns ein ständiges Feedback, damit wir unsere Datenbanken optimieren und etwaige Fehler oder Lücken ausmerzen können.“

Ein Sporophyt des Kleinen Blasenmützenmooses (Physcomitrella patens) aus dem Sporen entstehen. Das Genomprojekt dient letzlich dazu, die Biologie der Pflanzen zu verstehen. © Prof. Dr. Ralf Reski

Trotz aller Unfertigkeit – die bisherigen Sequenzinformationen erleichtern die wissenschaftliche Arbeit schon heute. So hat das Team von Reski mit Hilfe der heute bekannten Basenabfolge zum Beispiel neue Gene entdeckt, die dem Moos erlauben, hohe Trockenperioden zu überstehen. Außerdem gelang es ihnen, das fünfte Gen aus einer Genfamilie zu finden, die an der Vermehrung der Stromfabriken (den Chloroplasten) in einer Mooszelle beteiligt ist. „Die Arbeit an der Genomsequenz von Physcomitrella ist zwar eine ständige Baustelle“, sagt Reski. „Aber sie hat uns schon jetzt in eine ganze andere Spielklasse katapultiert. Als ich mit dem Moos anfing, nannten einige Kollegen das „abseitige Grundlagenforschung“. Heute ist die Pflanze ein wichtiger Modellorganismus, der auch für die Biotech- und Pharmaindustrie von großem Interesse ist.“

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Molecular Farming bezeichnet die Produktion von Arzneimitteln mit Hilfe gentechnisch veränderter Pflanzen und Tiere.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Fettsäuren sind Carbonsäuren (organische Säuren) die oft aus langen, unverzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Sie können entweder gesättigt oder ungesättigt sein und sind Bestandteil von Fetten und Ölen.
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
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