Der Schaltplan des Lebens

10. Juli 2007, 19:06
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Um das Innenleben von Zellen besser zu verstehen, sind Biologen eine Allianz mit Mathematikern, Physikern und Informatikern eingegangen

Die so entstandene Systembiologie soll Einblick in komplexe Zusammenhänge verschaffen und über die Entstehung von Krankheiten Auskunft geben.


Rhodobacter sphaeroides hätte das Zeug zum Weltstar. Wenn man ihn nur endlich ins richtige Licht stellen würde. Wenn sich nicht nur die recht unscheinbare Mikrobiologie mit ihm beschäftigen würde, sondern endlich mal ein Schiffsbau- oder Flugzeug- oder auch Autoingenieur mit einer kreativen Werbeagentur im Rücken. Dann wäre Rhodobacter sphaeroides nicht mehr aufzuhalten. Der Winzling, höchstens ein paar Mikrometer groß, kann schwimmen wie kein Schiff auf dieser Welt. Er orientiert sich so einfach, dass er jedes Navigationssystem auf den Kopf stellt. Und das alles mit lediglich einem kleinen Motor unter einem Energieverbrauch, der die Motorindustrie blass werden lässt.

Rhodobacter sphaeroids ist noch kein Star, aber er hat die reine Mikrobiologie inzwischen hinter sich gelassen. Am vergangenen Montag wurde er auf der Wiener Konferenz der Federation of Europe Biochemical Societies (FEBS 2007, noch bis 12. Juli), der größten europäischen Organisation für Lebenswissenschaften, von Judith Armitage vorgestellt. Um Molekulare Maschinen geht es, wie berichtet, in diesem Jahr und "Rhodobacter bedient sich eines höchst interessanten Motors", sagt die Mikrobiologin und Direktorin des Oxford Centre for Integrativ System Biology. Er lebt im Wasser und saust wie mit einem von hinten angetriebenen Propeller durch die Flüssigkeit. Manchmal stoppt er, wechselt Richtung und Geschwindigkeit, ohne dass man zunächst einen rechten Sinn dahinter erkennen kann.

"Als Bakterium hat Rhodobacter kein Ziel, doch es misst über ein sehr sensibles System permanent die Bedingungen seiner Umwelt und schwimmt dort hin, wo es am besten überleben kann", sagt Armitage. Seine Koordinatoren sind nicht Landmarken, sondern Licht, Temperatur, Sauerstoff, Stickstoff und noch einige mehr. Dafür hat er kleine Sensoren in seiner Zelloberfläche integriert, die direkt auf seinen Propellermotor einwirken – ein rotierender Proteinkomplex in der Zellmembran. Früher nahm Armitage an, es sei ein einziges System, das den Motor kontrolliert. "Inzwischen wissen wir aber, es sind mindestens drei", sagt sie.

Allianz der Fächer

Herausgefunden haben die Briten das nicht allein über gewöhnliche Laborexperimente. Sie gründeten vielmehr eine Allianz mit ihren sehr nicht biologischen Kollegen aus der experimentellen Physik, Mathematiker und Informatiker. Sie fütterten die Theoretiker mit den Daten der Mikrobe, ließen sie die Biologie in mathematische Formeln quetschen. Heute hat sich die ungewöhnliche Zusammenarbeit zu einer neuen Forschungsrichtung, der Systembiologie, entwickelt. An Universitäten rund um den Globus versuchen Wissenschafter, einen Schaltplan für das Leben zu entwickeln, um die Funktion von Zellen und in ferner Zukunft auch ganzen Organen nachzubilden.

So beschäftigt Ursula Klingmüller vom Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg ein Botenstoff, der derzeit eigentlich in Ungnade gefallen ist: Epo (eigentlich Erythropoetin), immer wieder als Dopingmittel missbraucht, regt die Blutbildung an. Es bindet an die Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen, lässt sie Signalmoleküle in den Zellkern senden, die dort die entsprechenden Gene aktivieren. "Früher dachte man, damit wäre die Aufgabe von Epo erfüllt", sagt Klingmüller, ebenfalls auf der unter anderem vom Wiener Zentrum für Innovation und Technologie, vom Wissenschafts- und vom Infrastrukturministerium gesponserten Großkonferenz FEBS 2007 vertreten.

Das sei jedoch nicht richtig. "Von genauso großer Bedeutung ist es, dass die Signalüberträger wieder aus dem Zellkern verschwinden", so die DKFZ-Forscherin. Das ganze System sei auf Recycling aufgebaut. Kommen die Übermittlermoleküle nicht zurück zur Bindungsstelle, lässt die Wirkung des Epo erheblich nach.

Zeit besser einplanen

Auch Klingmüller ließ sich die Vorgänge, die in der Zelle ablaufen könnten, von Kollegen aus der Theoretischen Physik in Freiburg errechnen. Bevor sie sie schließlich im Labor bestätigen konnte. Mit der Modellierung von biologischen Abläufen, meint sie, ließen sich Experimente besser planen. "Ein Schaltplan hilft, Fehler aufzudecken, Ressourcen und Zeit besser einzuplanen und letztlich zielgerichteter zu forschen", sagt sie.

"Diese fachübergreifende Zusammenarbeit wird künftig immer wichtiger werden", sagt auch der Leiter des Center for Integrative Bioinformatics Vienna (CIBIV), Arndt von Haeseler (siehe Interview). Er stellt exakt diese Modelle für Biologen bereit. Früher hätten Bioinformatiker schließlich nur Datenbanken für ihre naturwissenschaftlichen Kollegen entwickelt. "Heute untersuchen wir Verwandtschaftsgrade anhand der DNA oder versuchen, Reaktionssysteme zu simulieren und geben sie dann ins Labor zurück", sagt er. Ein Wechselspiel, das Haeselers Meinung nach Zukunft hat.

Die Engländerin Judith Armitage machte sogar die Erfahrung, dass die reine Laborarbeit sie zu irrtümlichen Schlussfolgerungen führte. So nahm sie selbst über lange Zeit an, dass verschiedene Proteine ihres Schützlings zusammenwirken, "weil sie im Reagenzglas so wunderbare Komplexe bilden".

Das sei in Wirklichkeit aber gar nicht der Fall, weiß sie heute. Die Eiweiße treten niemals in Kontakt, weil sie in ganz unterschiedlichen Teilen der Zelle aufgehoben sind. Auf diese Idee kamen die Wissenschafter, weil sie Wege, die diese Botenstoffe zurücklegen, am Computer simulierten. (Edda Grabar/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 11.7. 2007)

  • Der Wunsch der Forscher: Schaltpläne auch von menschlichen Organen wie dem Herzen erstellen.
    illustration: standard/fatih

    Der Wunsch der Forscher: Schaltpläne auch von menschlichen Organen wie dem Herzen erstellen.

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