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Gen-Scheren revolutionieren die Bioforschung

Bonner Forscher konstruieren hochspezifische DNA-Erkenner

Von Michael Lange

Foto eines Modells des menschlichen DNA-Stranges mit der doppelten Helix-Struktur.
Foto eines Modells des menschlichen DNA-Stranges mit der doppelten Helix-Struktur. (picture alliance / dpa / Matthew Fearn)

Gentechnik. - Es gibt eine neue Methode, die still und heimlich dabei ist, die Genforschung zu revolutionieren. Sogenannte Gen-Scheren, in der Fachwelt als TALENs bekannt, erkennen bestimmte Stellen im Erbmolekül DNA genau und können diese exakt schneiden.

"Das ist ein Pipettierroboter. Dieser Roboter kann Flüssigkeiten von einem Reaktionsgefäß in ein anderes transportieren und kann diese Flüssigkeiten auch miteinander kombinieren."

Die Metallarme des Roboters, den der Doktorand Tobias Schmidt präsentiert, bewegen sich in einem zwei Meter langen Glaskasten am Institut für klinische Chemie und klinische Pharmakologie der Universitätsklinik Bonn hin und her. Der Roboter ist ein exakt arbeitender Laborhelfer. Er baut die genetischen Baupläne für Proteine aus Einzelteilen zusammen.
In diesem Fall für sogenannte TAL-Proteine oder TALENs. Das sind Gen-Scheren, die einzelne, kleine Abschnitte im Erbmolekül DNA genau erkennen und zerschneiden können. Wie sie das schaffen, erklärt Jonathan Schmid-Burgk.

"Also die Kristallstruktur von diesem TAL-Protein hat gezeigt, dass die einzelnen Domänen dieses Proteins jeweils eine Base im Genom binden, und dass das Gesamt-Protein, genau wie die DNA selbst, eine Helix-Struktur aufweist. Das heißt: Dieses Protein windet sich um die DNA herum und kann dann spezifisch einzelne Basen erkennen."

Die Abkürzung TALEN steht für Transkriptions-Aktivator ähnliche Effektor-Nukleasen. Das Erkennungsprinzip der TAL-Effektor-Proteine haben Wissenschaftler der Universität Halle-Wittenberg bereits vor drei Jahren entdeckt: bei Bakterien, die Pflanzen befallen. Später kam dann noch die Nuklease hinzu, als Gen-Schere. Zusammen bilden sie die TALENs.

Schnell wurden diese Gen-Scheren mit hochspezifischer DNA-Erkennung in der Genforschung zum Renner.

Die Forscher an der Bonner Universitätsklinik haben nun eine Art Baukasten entwickelt, mit dem sie die Gen-Scheren nach Maß wie am Fließband herstellen können. Ihre Methode haben sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology vorgestellt. Tobias Schmidt:

"Wir haben einen Baukasten entwickelt und durch das Picken einzelner Bausteine aus diesem Baukasten kann man sehr schnell innerhalb von einem Tag so eine TAL-Effektor-Nuklease zusammen bauen. Das war vorher nicht so möglich. Vorher hat es mehrere Tage gebraucht und war auch sehr umständlich."

Jetzt lassen sich die verschiedenen TALENS maßgeschneidert zusammen fügen – wie mit einer Schreibmaschine, die einen Text schreibt. Ausgehend von der Reihenfolge der einzelnen Erbgut-Buchstaben im Gen, baut der Roboter das dazu passende Protein – also die Schere - aus verschiedenen Bauelementen zusammen.

"Die Revolution meines Erachtens ist die Tatsache, dass es nun möglich ist, mit wenigen Handgriffen einzelne Gene komplett auszuschalten oder so zu modifizieren, dass man deren Funktion untersuchen kann."

Professor Veit Hornung leitet die Arbeitsgruppe am Institut für klinische Chemie und klinische Pharmakologie in Bonn. Er und seine Mitarbeiter haben die selbst konstruierten TALENs bereits mehrfach ausprobiert, um Gene damit auszuschalten.

"Wir wenden diese Technologie an Zell-Linien an, die wir im Labor, in der Kulturschale züchten können. Das heißt wir bringen diese TAL-Effektor-Proteine in die Zellen ein - nicht selber die Proteine, sondern die DNA-Information, die für diese Proteine codiert – diese Proteine werden dann in den Zellen hergestellt, wandern in den Zellkern ein und binden dann spezifisch an einen Gen-Locus, so nennen wir diesen Abschnitt, und führen dann letztendlich zu einem Schnitt und zum Ausschalten dieses Gens."

So können die Forscher an menschlichen Zellen erkennen, welche Funktion das ausgeschaltete Gen hatte. In der Genom-Forschung haben die TALENs bereits eine Revolution ausgelöst. In Zukunft könnten sie auch in der Gentherapie eingesetzt werden, um menschliche Körperzellen in der Zellkultur zu reparieren. Die gesunden Zellen könnten anschließend dem Patienten zurück gegeben werden. Aber das ist noch Zukunftsmusik.

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