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Chemie-Nobelpreis für leuchtendes Quallen-Gen

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Der diesjährige Nobelpreis für Chemie geht zu je einem Drittel an die Biologen Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien für die Entdeckung und Erforschung des grün fluoreszierenden Proteins GFP. Das Molekül ist als Farbmarker aus der Molekularbiologie nicht mehr wegzudenken. Mit seiner Hilfe können Wissenschaftler Zellen anfärben und auf diese Weise biologische Phänomene beobachten, die sich der Forschung zuvor entzogen – zum Beispiel die Entwicklung von Nervenzellen im Gehirn oder wie sich Krebszellen ausbreiten. Dazu wird GFP an andere Proteine gekoppelt, indem sein Genbauplan neben das Gen des Zielproteins eingeschleust wird. Grünes Leuchten – also das Ablesen des Leuchtgens – zeigt, dass beide Proteine hergestellt wurden und erlaubt die Untersuchung der angefärbten Zellen.

Als der japanischer Forscher Osamu Shimomura 1962 an der Princeton Universität forschte und grün fluoreszierende Protein als Erster aus der Qualle Aquorea victoria isolierte, ahnte er noch nicht, zu welchem Ruhm es der Farbstoff bringen würde. Das vor der Westküste von Nord-Amerika heimische Tier leuchtet an den Rändern seines Körpers grün auf, wenn es sich bedroht fühlt. Shimomura isolierte zwei leuchtende Proteine, Aequorin und GFP. Aequorin brauchte Kalzium-Ionen aus dem Meerwasser zum Leuchten. Doch GFP benötigte keine weiteren Hilfsmoleküle und leuchtete bei Bestrahlung mit ultraviolettem oder blauem Licht in einem satten, sehr hellen Grün. Bei Tageslicht sieht es schwach grün aus, bei künstlichem Licht eher gelb. Diese Eigenschaft verdankt das Protein einem sogenannten Chromophor. Das ist eine chemische Gruppe, die durch Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt wird, dessen Energie absorbiert und anschließend Licht einer anderen Wellenlänge wieder abstrahlt.

Martin Chalfie von der Columbia Universität zeigte das enorme Potential von GFP auf, indem er das erste gentechnische Verfahren für seinen Einsatz als Farbmarker entwickelte. Er verknüpfte das GFP-Gen, das ein anderer Forscher aus dem Quallen-Genom isoliert hatte, mit einem Genschalter, den nur die sechs berührungsempfindlichen Nervenzellen des Fadenwurms Caenorabdis elegans nutzen. Dann schleuste er das DNA-Konstrukt in die Keimdrüsen eines Tiers ein. Aus den befruchteten Eizellen entwickelten sich Fadenwürmer, in denen genau sechs Nervenzellen sichtbar grün leuchteten.

Roger Tsien schließlich klärte die chemische Struktur von GFP und die chemisch-physikalischen Grundlagen des Fluoreszierens auf. Durch Veränderung der Aminosäuresequenz des Proteins stellte der Forscher der University of California San Diego weitere Leuchtstoffe her, die blau, gelb und lila leuchteten. Damit legte er den Grundstein dafür, dass sich verschiedene Proteine in einer Zelle gleichzeitig beobachten lassen, weil sie unterschiedlich angefärbt sind. Die einzige Farbe, die er nicht herstellen konnte, war rot. Später fanden zwei russische Forscher in Korallen GFP-ähnliche Proteine, von denen eins rot war. Obwohl dieses Farbstoffmolekül zunächst zu groß für den Einsatz war, schaffte es Tsien, seine Struktur so zu verändern, dass er in die Testpalette aufgenommen werden konnte.

All diese fluoreszierenden Farbstoffe haben bedeutende Experimente möglich gemacht. Forscher konnten nicht nur Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen und damit ihre Funktionen aufklären. Sie beobachteten zum Beispiel auch das Schicksal von Nervenzellen, die von der Alzheimerschen Krankheit betroffen sind oder klärten die Entstehung der Insulin produzierenden Bauchspeicheldrüsen-Zellen in Tierembryos auf. Zu den spektakulärsten Bildern gehören Gewebeschnitte von Nervenzellen einer Maus, die in unzähligen verschiedenen Farben leuchten.

Darüber hinaus kommen Bakterien, die mit dem GFP-Gen präpariert wurden, als biologische Warnsysteme für Schadstoffe wie Gifte, Sprengstoffe und Schwermetalle zum Einsatz: sie verraten die Gegenwart von Arsen, TNT oder Cadmium durch kräftiges Leuchten. (vsz)