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Bakterien – eine Schatztruhe für Gentechniker

Um sich vor Virusinfektionen zu schützen, entwickelten Bakterien ein vielfältiges Abwehrsystem. Eine Variante, das CRISPR/Cas9-System, sorgt gerade für Schlagzeilen, da es die Gentechnik revolutioniert. Prof. Dr. Rolf Backofen vom Institut für Bioinformatik der Universität Freiburg ist es nun gelungen, die Abwehrsysteme aller bis heute sequenzierten Bakterienarten zu klassifizieren – was die Suche nach weiteren, gentechnisch nutzbaren Methoden erleichtern wird.

Prof. Dr. Rolf Backofen © Rolf Backofen/IIF

Lange Zeit nahmen Wissenschaftler an, dass nur Wirbeltiere über ein Immunsystem verfügen, mit dem sie Krankheitserreger wie Bakterien und Viren bekämpfen. Erst vor rund zehn Jahren wurde klar, dass das ein Irrtum war. Auch Prokaryoten, also Bakterien und Archaeen, entwickelten ein Abwehrsystem, mit dem sie sich gegen Viren verteidigen. Sie nutzen dazu einen Mechanismus namens CRISPR.

CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Es handelt sich dabei um einen Erbgutabschnitt, der aus kurzen Palindromen besteht, also Sequenzen, die sich vorwärts und rückwärts lesen lassen, wie etwa „Ebbe“ oder „Hannah“. „45 Prozent der bislang sequenzierten Bakterien und 83 Prozent der Archaeen weisen mindestens eine CRISPR-Struktur auf“, sagt Rolf Backofen vom Institut für Bioinformatik der Universität Freiburg.

Bei einer Erstinfektion sind Bakterien ihren Angreifern – sogenannten Bakteriophagen, Viren, die ausschließlich Bakterien und Archaeen befallen – zunächst schutzlos ausgeliefert. Phagen sind etwa 1000-fach kleiner als Bakterien und schleusen ihre Erbinformation ins Innere der Bakterienzelle, um sich dort zu vermehren. Sind sie erfolgreich, vermehren sie sich dort so stark, dass die Bakterienzelle schließlich platzt.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Bakteriophage ist ein Phage Virus, das ausschließlich Bakterien infiziert. Phagen werden in der Gentechnik häufig als Vektoren benutzt.
  • 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.
  • 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.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Ein Gentransfer besteht in der Übertragung eines Gens in Empfängerzellen.
  • Eine Nuklease ist ein Enzym, das DNA oder RNA spaltet, indem Phosphordiesterbrücken hydrolysiert werden.
  • 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.
  • Prokaryonten sind einzellige Organismen, die weder Zellkern noch Organelle besitzen (z. B. Bakterien, Blaualgen).
  • 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)
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • 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.
  • 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.

Bakterien entwickelten ein Antivirus-Programm

Aufbau und Wirkungsweise des CRISPR/Cas-Systems in Bakterien und Archaeen © Backofen/IIF, Sita J. Saunders und Omer Alkhanbashi/IFF

Überlebt das Bakterium die Infektion, kann es sich aber gegen eine weitere Infektion schützen: Dazu baut es Teile der Phagen-DNA in sein eigenes Erbgut ein, genauer: in die CRISPR-Struktur zwischen zwei Palindrome (Spacer). Die auf diese Weise eingerahmte Virus-DNA wirkt von nun an wie ein molekularer Steckbrief: Infiziert sich das Bakterium erneut mit dem Virus, erkennt es die Übereinstimmung zwischen dem Steckbrief und der eindringenden DNA und zerstört die gefährliche Virus-DNA.

An dem Schutzmechanismus sind neben der CRISPR-Struktur auch mehrere Proteine der Cas-Familie beteiligt (Cas für CRISPR-associated): Mit ihrer Hilfe wird die Steckbrief-DNA in ein RNA-Molekül übersetzt, das sich an den passenden DNA-Abschnitt eines neu eindringenden Virus anlagert. Dadurch aktiviert es die Nuklease, also die DNA-Schere, des Cas-Proteinkomplexes, die die Virus-DNA zerschneidet. „Wie das Abwehrsystem im Detail funktioniert, ist allerdings noch nicht verstanden“, sagt Backofen.

Sicher ist, dass es unter den Bakterien und Archaeen weit verbreitet ist und in etlichen, verschiedenen Varianten vorkommt: Eine CRISPR-DNA kann zwei bis 250 Palindrome unterschiedlicher Länge (bis zu 50 Basenpaare) enthalten und mit 6 bis 20 Cas-Proteinen assoziiert ein. Bakterien können ihre gelernte Immunität, also ihr CRISPR/Cas-System, außerdem über den sogenannten horizontalen Gentransfer austauschen. Sie „impfen“ sich sozusagen gegenseitig. Das bedeutet, ein Prokaryot kann auch mehrere unterschiedliche CRISPR-Strukturen enthalten.

Strukturierung der vielfältigen Virus-Abwehr

Klassifikation aller bekannten CRISPR/Cas-Systeme. Klasse 1 verwendet mehrere Proteine in einem Komplex für den Abwehrmechanismus, während die Systeme in der Klasse 2 hier mit einem einzigen Protein auskommen. Die Klassifikation basiert daher auf der Sequenzähnlichkeit von Gruppen von Proteinen. © Backofen/IIF

Diese Variabilität erschwerte die Klassifikation des CRISPR/Cas-Systems zunächst. Doch Backofen und sein Team entwickelten eine Software, die den modularen Aufbau des Abwehrsystems berücksichtigt und dazu in kurzer Zeit riesige Datenmengen analysiert: Mehr als 20.000 Proteinsequenzen in fünf Minuten.

Das Ergebnis der Freiburger Bioinformatiker: Das Abwehrsystem der heute bekannten Prokaryoten lässt sich in zwei Klassen, fünf Untertypen und 16 Subtypen einteilen – abhängig von der Ähnlichkeit der CRISPR-Strukturen und den Ähnlichkeiten der beteiligten Proteine der Cas-Familie. „Basierend auf maschinellem Lernen ist unser Programm imstande, jedes neue Abwehrsystem automatisch einzuordnen“, sagt Backofen, der nicht ausschließen möchte, dass noch weitere, bislang unentdeckte Varianten existieren.

Die Klassifikation hat mehrere Vorteile. Es können beispielsweise metagenomische Daten analysiert werden: „Man kann Bakteriengemeinschaften aus dem Magen oder auf der Haut als Ganzes sequenzieren und die vorhandenen Bakteriophagen-Immunitäten, also CRISPR-Systeme, ermitteln“, sagt Backofen.

Anwendungen in Forschung, Industrie und Medizin

Solche Informationen, so hoffen Forscher, könnten langfristig bei der Bekämpfung von Krankheitserregern oder anderen schädlichen Bakterien, etwa in der Lebensmittelindustrie, helfen: Hat man die Immunabwehr der Bakterien erst einmal richtig verstanden, könnte man diese auch gezielt manipulieren. Etwa indem man das CRISPR-System bei Krankheitserregern ausschaltet und Bakterien wieder anfällig macht für ihre natürlichen Feinde. Oder aber wertvolle Bakterien, etwa in der Milch verarbeitenden Industrie, impft, um sie auf diese Weise vor bestimmten Viren zu schützen.

Zum anderen erleichtert die Klassifizierung die Suche nach neuen, biotechnologisch nutzbaren Methoden. So sorgt das CRISPR/Cas9-System derzeit für Schlagzeilen – die renommierte Fachzeitschrift Science erklärte die Methode zum Durchbruch des Jahres 2015. CRISPR/Cas9 lässt sich leicht zu einer hochpräzisen DNA-Schere umprogrammieren, mit der jede beliebige DNA-Sequenz geschnitten werden kann. So können DNA-Abschnitte herausgeschnitten oder DNA-Abschnitte neu eingefügt werden. Auf diese Weise ließen sich zumindest theoretisch Krankheiten heilen, für die es bislang keine Behandlungsmöglichkeiten gibt.

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