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DFG-Forschergruppe ergründet „Mikroben-Impfung“

Einzellern wie Archaeen und Bakterien traut man dieses Raffinement eher nicht zu. Und dennoch verfügen viele dieser Kleinstlebewesen über einen ausgeklügelten Viren-Abwehrmechanismus namens CRISPR/Cas, gegen den Schutzmechanismen wie Restriktion und Modifikation so plump wirken wie eine Selbstschussanlage im Vergleich zu einem Scharfschützen.

Prof. Dr. Anita Marchfelder, Sprecherin der Forschergruppe. © Uni Ulm

Experimentell bewiesen wurde der Schutzmechanismus, mit dem sich Bakterien und Archaeen gegen Viren erfolgreich zur Wehr setzen, erst 2007. Verstanden und erklärt ist er noch nicht annähernd. Das will eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Forschergruppe (FOR 1680: "Unravelling the Prokaryotic Immune System") ändern. Ihre Sprecherin ist die Ulmer Molekularbiologin Anita Marchfelder. Ist diese nach dem Prinzip einer „Selbstimpfung" ablaufende Immunabwehr verstanden, lässt sie sich möglicherweise industriell nutzen, zum Schutz von Produktionsstämmen in der Milchindustrie oder etwa für die Treibstoffproduktion.

Ausgeklügeltes Abwehrsystem

CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats und bezeichnet Genabschnitte aus kurzen Sequenzwiederholungen (Repeats) und Abschnitten (sogenannte Spacer), die spezifisch fremde Gene erkennen und deren Zerstörung bestimmen. Zusätzlich werden noch Proteine benötigt (Cas-Proteine). 50 Prozent der bislang untersuchten Bakterien besitzen dieses „Impf-System“, warum es der anderen Hälfte fehlt, weiß niemand. Neun von zehn untersuchten Archaeen wehren sich so gegen virale Angriffe. Nicht auszuschließen ist, dass man ein bislang noch nicht identifiziertes neues CRISPR/Cas-System entdeckt.

Erst die Grundlagen, dann die Anwendung

Marchfelders Modellorganismus, der salzliebende Haloferax volcanii. © Paul Walther/Uni Ulm

Die Forscher versuchen dem Abwehrmechanismus anhand von sechs Organismen auf die Schliche zu kommen. Diese Organismen wurden nach Anwendungspotenzial und technischer Verfügbarkeit ausgesucht. In der zweiten Phase des auf sechs Jahre angelegten und mit knapp 1,5 Mio. Euro geförderten Vorhabens will die Forschergruppe nach den Worten ihrer Sprecherin kleine Unternehmen einbinden und die Anwendungstauglichkeit ausloten. Mit den ausgewählten Organismen lassen sich Versuche sowohl in vivo als auch in vitro durchführen, was die Aussagekraft der Ergebnisse absichern dürfte.

Die „Selbstimpfung" wird nach Marchfelders Worten inzwischen in drei Subtypen unterteilt, die sich in ihren molekularen Mechanismen unterscheiden. Die Forschergruppe deckt alle drei Typen ab. Manche Mikroben wie das Archaeon Haloferax volcanii besitzen ein System, Cyanobakterien deren zwei, Sulfolobus solfataricus sogar drei. FOR 1680 besteht aus drei Untergruppen: eine beschäftigt sich mit Bakterien (E. coli, Cyanobakterien; Neisseria meningitidis), die zweite mit  Archaeen (Methanosarcina mazei; Haloferax volcanii, Methanococcus maripaludis; Sulfolobus solfataricus); eine dritte Gruppe steuert übergreifendes Know-how (Massenspektrometrie, Strukturbiologie; Bioinformatik) bei.

Noch behilft man sich mit Modellen

Ein grobes, modellhaftes Verständnis dieser in vielen Variationen vorliegenden Immunabwehr hat man sich schon gemacht. Daran beteiligt sind Proteine und RNA. Zwei (von bislang 42 entdeckten) Proteine sind in allen Organismen relativ gut konserviert.

Hypothesen hat sich die Forschergruppe angesichts ihrer grundlegenden Arbeiten verkniffen. Wohl aber verfolge man, so Anita Marchfelder, Hinweise auf Hypothesen, wonach CRISPR/Cas-Varianten DNA reparieren oder die Genregulation im Organismus selbst übernehmen. Immer wieder diskutiert wird in der Fachwelt auch die Hypothese, wonach diese spezielle prokaryotische Immunabwehr sich analog zur RNA-Interferenz der Eukaryoten verhalte. Inzwischen, so Marchfelder, wird diese Hypothese durch eine Entdeckung in Subtyp 2 gestärkt. Dort habe man eine Art „Dicer“ identifiziert, wie er für die RNA-Interferenz typisch ist.

Irgendwie und irgendwann „impft“ sich die Mikrobe

Mikroben überleben den sonst tödlichen viralen Angriff wohl deshalb, weil sie das Virus als solches erkannt, ein Stück der viralen DNA herausgeschnitten und in ihr Genom eingebaut haben. Nach welchen Prinzipien diese mikrobielle Selbstimpfung abläuft, will die Forschergruppe aufklären. Wird das Genom irgendeines Mikroorganismus mit diesem Immunsystem sequenziert, findet sich dort die Geschichte überlebter Angriffe. Je weiter weg sich das virale Bruchstück auf dem Genom vom jüngsten viralen Stück befindet, desto länger liegt die erfolgreich parierte Attacke zurück. Allerdings kennt das immunologische Gedächtnis Grenzen; irgendwann scheidet der Organismus die alte Fremd-DNA wieder aus.

Die interessanten Fragen sind noch unbeantwortet

Die molekularen Abläufe dieser Immunabwehr liegen im Dunkeln. Man weiß, dass kleine RNA-Schnipsel prozessiert werden müssen, um diesen Tötungsapparat an die richtige Stelle zu führen. Man kennt das Erbgut vorheriger Angreifer, das, codiert auf dem Genom, in ein langes Stück RNA abgeschrieben und danach in kleine Teile zerhackt wird. Jedes dieser kleinen RNA-Schnipsel enthält nur die Sequenz eines bestimmten Angreifers, womit die Angreifer-DNA spezifisch gebunden und vom (cas-genannten) Proteinkomplex abgebaut wird.

Marchfelders Modellorganismus, das salzliebende Archaeon Haloferax volcanii, besitzt ein solches Abwehrsystem aus acht Proteinen und drei Genorten für die RNA-Stücke und „erzählt“ die Geschichte von 30 erfolgreich parierten Attacken.

Industrie erforscht Bakterien auf Impftauglichkeit

Marchfelders AG (von links unten im Uhrzeigersinn): Elli Bruckbauer, Helena Frey, Dr. Susan Fischer, Ruth Heyer, Dr. Angelika Jellen-Ritter, Jutta Brendel, Britta Stoll, Kathrin Weiss sowie Lisa-Katharina Maier (Mitte). © Marchfelder/Uni Ulm

Zwar sind die Arbeiten dieser Forschergruppe in großen Teilen grundlagenorientiert, doch das industrielle Anwendungspotenzial scheint beträchtlich. So verwundert es nicht, dass Unternehmen wie das vom US-Chemieriesen Dupont übernommene dänische Biotech Danisco seit Jahren überprüft, ob sich das Bakterium Streptococcus thermophilus, das bei der Herstellung von Milch, Käse und anderen Molkereiprodukten benutzt wird, impfen und damit gegen bekannte Viren resistent machen lässt. Damit ließe sich verhindern, dass ganze Bakterienkulturen durch Viren getötet und Produktionschargen vernichtet werden.

Diese „Impfung" industriell relevanter Bakterienkulturen hat zudem den Vorteil, dass diese phagenresistenten Mikroorganismen nicht als genetisch verändert gelten. Das hat das Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit unter Berufung auf das Robert Koch-Institut vor Jahren schon festgestellt. Solche als Konjugation bezeichneten Impfungen seien Veränderungen von genetischem Material, wie sie unter natürlichen Bedingungen vorkämen (BA für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit, 2.7.2002, Az 6790-05-01-60.)

Arbeiten beginnen 2012

Weitere Projekte der Forschergruppe, die Anfang 2012 ihre Arbeit aufnimmt, befinden sich an den Max-Planck-Instituten für Biochemie (Prof. Dr. Elena Conti, Martinsried), für terrestrische Mikrobiologie (Dr. Lennart Randau, Marburg) und für biophysikalische Chemie (Prof. Dr. Henning Urlaub, Göttingen), sowie den Universitäten in Kiel (Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit), Freiburg (Prof. Dr. Wolfgang Hess, Prof. Dr. Rolf Backofen) und Würzburg (Prof. Dr. Jörg Vogel und Dr. Nadja Heidrich). Außerdem sind ein nationales (Dr. Ümit Pul, Düsseldorf) und ein internationales Projekt (Prof. Dr. Roger Garrett, Kopenhagen, Spezialist für Archaeen wie deren Viren) assoziiert.

Literatur:

Sorek, Rotem; Kunin, Victor; Hugenholtz, Philip: CRISPR – a widespread system that provides acquired resistance against phages in bacteria and archaea, Nature Reviews Microbiology, Vol. 6, March 2008, S. 181-186 (doi:10.1038/nrmicro1793)

Al-Attar, Sinan; Westra, Edze R.; van der Oost, John; Brouns, Stan J.J.: Clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPRs): the hallmark of an ingenious antiviral defense mechanism in prokaryotes, in: Biological Chemistry, Vol. 392, April 2011, S. 277-289.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • 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.
  • Die Konjugation ist ein natürlicher Vorgang, mit dem bestimmte Bakterien durch „Paarung“ (Aneinanderlagern von Spender- und Empfängerzelle) genetische Information (Plasmide) austauschen. Die hierfür benötigten Gene liegen in der Regel auf den Plasmiden.
  • 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.
  • Ein Palindrom ist eine DNA-Sequenz, welche auf beiden Strängen in einer Richtung die gleiche Basenabfolge hat. Palindrome sind oft Erkennungsstellen für DNA-bindende und -verändernde Proteine.
  • Phage ist die Kurzbezeichnung für Bakteriophage – ein Virus, das sich in Bakterien vermehrt.
  • 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 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.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • 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)
  • Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, sind gram-negative Bakterien (Prokaryonten), die Photosynthese und vielfach auch Stickstofffixierung betreiben können.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • 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.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Ein Stoff aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und somit eine chemische Verbindung. Es ist geruchslos, farblos und brennbar. In der Industrie wird es oft als Heizgas verwendet.
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