Zeitung Heute : Ein Mischwesen aus Biochemie und Elektronik

HARTMUT WEWETZER

Stellen Sie sich vor, Sie würden mit einem Hubschrauber in den Nachthimmel über Manhattan aufsteigen.Ein Lichtermeer würde unter Ihnen liegen, und jedes Hochhaus würde sich aus einem Mosaik erleuchteter und dunkler Fenster zusammensetzen.Wenn man sich an Stelle jeden Fensters einen kurzen Abschnitt der Erbinformation vorstellt, eine Art Gen-Schnipsel, hat man in etwa das, was zur Zeit die Herzen der Biotechniker in aller Welt höher schlagen läßt: einen DNS- oder Gen-Chip, dicht an dicht besetzt mit Hunderttausenden von Erbgut-Abschnitten.DNS-Chips sind die neuen Spürhunde der Genforscher.

Das strickleiterförmige Erbmolekül DNS ist ein biochemischer Informationsspeicher: beim Menschen besteht die im Zellkern konzentrierte DNS aus insgesamt drei Milliarden Basen-Buchstaben, aus denen sich die Information für etwa 100 000 Erbmerkmale zusammensetzt.Der DNS-Chip nun basiert auf dem Gedanken, die überwältigende Datenflut des menschlichen Erbguts mit Hilfe der modernen Computertechnik zu analysieren.Herausgekommen ist ein Mischwesen aus Biochemie und Elektronik.Es soll die Krankheitsvorsorge und Therapie erleichtern, indem es zum Beispiel individuelle Stärken und Schwächen des Erbguts erkennt oder die Gene gefährlicher Mikroben und erkrankter Organe "liest".

Die ersten Schritte sind getan.Vorreiter der Bio-Chips ist die kalifornische Biotechnik-Firma Affymetrix in Santa Clara.Sie hat aus der Halbleiter-Fertigung der Computerindustrie die Technik übernommen, mit Hilfe von Licht-Masken mikroskopisch feine informationstragende Gebilde herzustellen.Durch die Photolithographie gelingt es, auf einem nur quadratzentimetergroßen Gebilde viele tausend verschiedene einsträngige DNS-Abschnitte zu verankern - jeder mit einer bestimmten "Buchstabenfolge".

Wie ausgestreckte Tentakel "warten" diese kurzen Gen-Schnipsel auf dem Chip nun auf ihr Pendant.Ihre genaue Position auf dem Chip (dieser ist meist aus Glas oder Kunststoff) ist zuvor vom Computer registriert worden.Dann wird eine Probe mit unbekannten, kurzen und der Länge nach durchtrennten DNS-Strängen auf den Chip gegeben.

Jetzt geschieht das, was die Wissenschaftler als Hybridisierung bezeichnen: es finden jeweils die passenden gegensätzlichen ("komplementären") Erbgut-Abschnitte zueinander.Die Base Adenin bindet sich chemisch an Thymin, die Base Cytosin an Guanin - und umgekehrt.Ist die Buchstabenfolge der unbekannten Probe exakt zu dem "Fangarm" auf dem Chip komplementär, wird sie festgehalten und verbindet sich zu einem kompletten DNS-Doppelstrang.

Damit am Ende auch erkannt wird, an welchen Stellen die DNS-Tentakel ihren Partner gefunden haben, müssen die unbekannten DNS-Abschnitte mit einem Farbstoff markiert werden.Unter Fluoreszenzlicht leuchten nämlich die mit Farbstoff markierten Abschnitte auf - wie Fenster im nächtlichen Manhattan.Der Computer registriert die Lichtimpulse und setzt aus ihnen ein Bild des unbekannten Gens zusammen.

Bereits erprobt wird ein Gen-Chip, der zum Nachweis von Mutationen (Erbgutveränderungen) im Aids-Virus HIV dient.Damit kann bestimmt werden, ob das Virus gegen Medikamente widerstandsfähig ist.Ein anderer Chip durchleuchtet das Brustkrebsgen BRCA-1 auf Mutationen, und ein weiterer nimmt sich des p53-Gens an.p53 leitet normalerweise die Selbstzerstörung der Zelle ein, wenn die DNS schwer beschädigt ist.Ist es selbst defekt, ist eine Bremse für die Krebsentstehung ausgefallen; in Krebszellen ist p53 zu etwa 60 Prozent schadhaft.Das wiederum hat Konsequenzen für die Behandlung der Krankheit.

"Thema und Variation" könnte man diese Spezialität der DNS-Chips nennen: sie untersuchen, ob und wie das Gen einer Testperson oder eines Krankheitserregers von einer gegebenen Norm abweicht.Eine andere Möglichkeit der winzigen Erbgut-Detektive besteht darin, ein ganzes Gen-Orchester beim Spielen zu belauschen.Denn in einer Zelle sind immer nur ein geringer Teil der Gene, meist ein paar tausend, wirklich aktiv: da sind zum einen die "Haushälter"-Gene, die die Überlebensfunktionen der Zelle sicherstellen; hinzu kommen jene Erbmerkmale, die für die Zelle charakteristisch sind - eine Nervenzelle hat ein andere Ausstattung aus Proteinen (den Gen-Produkten) als eine Darmzelle.Der Gen-Chip ermöglicht die gleichzeitige Analyse vieler tausend verschiedener aktiver Erbmerkmale.Er kann herausfinden, welche Gene "angeschaltet" sind - oder, um im nächtlichen Manhattan zu bleiben: welche Fenster erleuchtet sind."Expressions-Analyse" heißt das Schlagwort für dieses Verfahren.Nur jene Gene werden ermittelt, die auch im "Orchester" der Zelle mitspielen.

Mittlerweile enthält ein fingernagelgroßer Affymetrix-Chip mehrere Hunderttausend verschiedener DNS-"Halbleiter" mit jeweils 25 Basen-Buchstaben.Experimentelle Versionen sind bei mehr als einer Millionen DNS-Abschnitte angekommen, berichtet das Team der Firma in einem Sonderheft des Fachblattes "Nature Genetics" zum Thema DNS-Chips.Aber inzwischen konstruieren viele Biotechnik-Firmen und Wissenschaftler eigene Gen-Chips.Die Technik hat sich kaleidoskopartig aufgesplittert, die Forscher erproben etliche Varianten und Anwendungsgebiete.Kongresse und Tagungen zum Thema jagen sich, es herrscht Hochstimmung.

Bis die handlichen Bio-Chips sich endgültig durchsetzen, müssen noch etliche Probleme aus dem Weg geräumt werden.Noch "arbeiten" die Chips nicht exakt genug, Verläßlichkeit ist aber bei so heiklen Problemen wie der Krebskrankheit von entscheidender Bedeutung.Hinzu kommt, daß die richtige Interpretation der riesigen Datenmengen aus der DNS noch zu wünschen übrig läßt.Auch die Kosten für Gen-Chips und Analysegeräte sind noch zu hoch: "Solange sich die Chip-Technologie nicht verbilligt, wird es keinen Boom geben", prophezeit Ulrich Certa von dem Basler Pharma-Unternehmen Hoffmann-La Roche.Dabei ist nicht zuletzt für Arzneimittelforscher die DNS eine wichtige Arbeitsgrundlage: der Blick ins Gen-Orakel ermöglicht Rückschlüsse auf bestimmte Krankheiten und ebnet den Weg für eine gezielte Behandlung gestörter Zellfunktionen.

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