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Die Meister der Zellschaltkreise

Lässt sich das Leben nachbauen? Seit einigen Jahren versucht das innovative Feld der Synthetischen Biologie, zelluläre Bauteile zu neuen Systemen zusammenzusetzen, die etwa pharmazeutisch gewünschte Eigenschaften haben. Gerade einmal anderthalb Jahre alt ist die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wilfried Weber in Freiburg am Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS), am ersten deutschen Lehrstuhl für Synthetische Biologie überhaupt. Und schon gibt es wieder eine Premiere: Der Lehrstuhlinhaber Weber hat als erster Wissenschaftler der Universität Freiburg den renommierten Starting Grant des European Research Council (ERC) erhalten. Seine Forschung auf dem Gebiet der intelligenten Materialien soll in Zukunft mit 1,5 Millionen Euro ausgebaut werden. Auch eine Doktorandin aus der Gruppe hat kürzlich einen Preis erhalten. Webers Team kombiniert Zellbausteine neu, mit vielen verschiedenen Fragestellungen. Dabei nutzen die „Zellingenieure“ das interdisziplinäre Umfeld der Uni Freiburg. Was kann man heute mit einem molekularen Baukasten konstruieren?

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wilfried Weber (dritter von rechts) am Lehrstuhl für Synthetische Biologie in Freiburg. © Prof. Dr. Wilfried Weber

Jede Zelle verfügt über Schalter an ihrer Oberfläche, die im Inneren molekulare Interaktionen bis hin zur DNA-Ebene auslösen. Wissenschaftler sprechen von Signalsystemen. Die meisten Krankheiten resultieren aus Störungen in diesen Signalsystemen. Wie lassen sich die Schalter so betätigen, dass eine Zelle von der schiefen Bahn zurück findet? Und ist es möglich, verschiedene Schaltkreise zu isolieren, die Elemente neu zu kombinieren und in andere Zellen wieder einzubauen, damit Forscher gewünschte Reaktionen der Zelle per molekularen Knopfdruck auslösen können?

Diesen Fragen geht die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Wilfried Weber nach, der im Mai letzten Jahres den ersten deutschen Lehrstuhl für Synthetische Biologie an der Universität Freiburg bestiegen hat. Der Fokus der Gruppe liegt also auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen den Proteinen in einer Zelle oder zwischen den Proteinen und der DNA. Wechselwirkungen, die man von außen steuern kann. Die Forscher um Weber verstehen sich nicht nur als analytische Biologen. „Es geht uns darum, das Zusammenwirken der biologischen Bausteine zu verstehen und auf eine neue Art zu kombinieren“, erklärt Weber. Weber und sein Team sind Ingenieure, die im biologischen Bereich arbeiten.

Intelligente Materialien

Was wäre gewonnen, wenn man Teile der Zelle nachbauen könnte? Ein Beispiel ist ein Projekt im Bereich der Materialforschung. Webers Team gelang es zusammen mit Materialforschern, Chemikern und Ingenieuren der Universität Freiburg, Materialien zu entwickeln, die auf Kommando therapeutische Substanzen abgeben können. Die Forscher kombinierten hierzu künstliche Polymer e mit biologischen Signalsystemen. Sie bauten auf die Oberfläche von mikroskopischen Behältern Rezeptor en, die sie zuvor aus Zellen isoliert hatten. Die Rezeptor en können Signalmoleküle binden, die von außen zugegeben werden. Sie übermitteln die Anwesenheit dieser Signalmoleküle ins Innere, wo andere Moleküle den Inhalt der Behälter nach außen freisetzen. „Solche intelligenten Behälter könnten in der Medizin eingesetzt werden“, sagt Weber. „Bisher gibt es hauptsächlich Materialien, die ihre Eigenschaften nach Veränderung der Temperatur oder des pHs verändern können, aber man kann im menschlichen Körper nicht einfach die Temperatur oder den pH beliebig erhöhen.“ Weber und sein Team haben die Behälter bereits für Testzwecke in Mäuse eingepflanzt. Sie wiesen nach, dass nach der Zugabe der Signalsubstanz über das Trinkwasser oder über eine Injektion ein Therapeutikum ins Blut der Tiere abgegeben wurde.

Intelligente Materialien, die als Depots für therapeutische Wirkstoffe verwendet werden (Tropfen). © Christian Geraths

Für diese Arbeit erhielt der Forscher den renommierten Starting Grant des European Research Council (ERC), der mit 1,5 Millionen Euro dotiert ist. In den nächsten Jahren können er und sein Team damit die Arbeit im Bereich der intelligenten Materialien weiter verfolgen. „Der Grant ist eine große Anerkennung und Motivation, um das Konzept der Synthetischen Biologie auf dem Gebiet der Materialwissenschaften weiter auszubauen“, sagt Weber. Die Kombination von Materialforschung und Synthetischer Biologie interessiert auch die Schwedin Maria Karlsson, eine Doktorandin im Team, die kürzlich mit dem mit 10.000 Euro datierten Barbara-Hobom-Preis des Freiburger Exzellenz-Zentrums für Biologische Signalstudien (BIOSS) ausgezeichnet wurde. Dieser Preis wird verliehen, um vielversprechende Promotionsprojekte zu fördern. Karlsson, die schon in Singapur, Spanien, Schweden oder in der Schweiz geforscht hat, hat in der Arbeitsgruppe für Synthetische Biologie genau die richtige Forschungsumgebung gefunden. Sie untersucht jetzt, wie man zelluläre Signalsysteme mit Materialien kombinieren kann. Das Ziel ist, Wachstum und Differenzierung von Zellen genau steuern zu können.

Die optimale Infrastruktur für Innovationen

Neben diesem Projekt verfolgen die Wissenschaftler noch andere Ansätze. Sie haben kürzlich zum Beispiel ein Interface geschaffen zwischen einem elektronischen Schaltkreis und einer Zelle. Ein Schaltkreis ist in der Lage, eine Signalsubstanz abzugeben, die in der Zelle direkt Gene anschalten kann. Es handelt sich um einen künstlich konstruierten Genschalter, der somit elektronisch umstellbar ist und theoretisch jede gewünschte zelluläre Antwort auslösen kann. Für welche Anwendungen so etwas dienen könnte, ist noch nicht klar. Es handelte sich um den Beweis, dass so etwas überhaupt möglich ist, einen sogenannten proof of principle. Die Kombination von elektronischen Schaltkreisen und entsprechend modifiziertem biologischem Material wurde jedenfalls zum ersten Mal mit Erfolg durchgeführt.

Im therapeutischen Bereich hat die Arbeit des Weber-Teams schon jetzt zahlreiche Anwendungen ermöglicht. Bereits vor einigen Jahren gelang es Weber (damals an der ETH Zürich) und der von ihm mitgegründeten BioVersys GmbH durch Kombination von biologischen Bausteinen die Resistenz des Tuberkulosebakteriums gegenüber einem Antibiotikum auszuschalten. Die Optimierung dieser Anwendung wird jetzt in der BioVersys GmbH weitergeführt. Außerdem entwickelte das Freiburger Team Biosensoren, die verbotene Antibiotika in Lebensmitteln wie Milch nachweisen können. Es bleibt abzuwarten, mit welchen Überraschungen die Forschungsgruppe, die knapp zwanzig Mitarbeiter umfasst, in Zukunft noch aufwarten wird. „In der interdisziplinären Umgebung der Universität Freiburg, wo wir zum Beispiel im Rahmen von BIOSS mit Physikern, Systembiologen, Chemikern, Ingenieuren, Informatikern oder Mikrosystemtechnikern kooperieren, ist jedenfalls die optimale Infrastruktur für Innovation geschaffen“, sagt Weber.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • 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.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
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