Modell des Erbmaterials DNA. Mithilfe der Genschere Crispr/Cas9 lässt es sich gezielt verändern. 
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Berlin/StockholmEs ist passiert. Die in Berlin forschende französische Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier, 51, und die amerikanische Biochemikerin Jennifer Doudna, 56, von der University of California in Berkeley sind die Chemie-Nobelpreisträgerinnen des Jahres 2020 und teilen sich die mit zehn Millionen Kronen (rund 950.000 Euro) dotierte Auszeichnung. Die beiden Wissenschaftlerinnen werden geehrt für eine Entwicklung, die erst acht Jahre her ist und trotzdem schon weite Teile der Lebenswissenschaften revolutioniert hat: die Genschere Crispr/Cas.

Vielleicht hat sich das Nobelpreiskomitee in Stockholm im Jahr der Corona-Pandemie und in Zeiten, in denen Teile der Gesellschaft am Wert und an der Glaubwürdigkeit von Forschung zweifeln, bewusst dafür entschieden, eine Entwicklung ins Rampenlicht zu stellen, die der Menschheit viel Gutes verheißt.

Kaum ein anderer Nobelpreis zeigt so deutlich, wie wichtig es ist, Grundlagenforschung in der Breite zu fördern.

Jörg Vogel, Direktor des Instituts für Molekulare Infektionsbiologie an der Universität Würzburg

Denn die Genschere Crispr/Cas, so sieht es das Nobel-Komitee, ist ein chemisches Werkzeug, mit dem in den Lebenswissenschaften eine neue Epoche beginnt: „Diese Technologie verhilft der Pflanzenzucht zu ganz neuen Möglichkeiten, trägt zu innovativen Krebstherapien bei und kann den Traum wahr machen, Erbkrankheiten zu heilen.“ Zugleich ist die Genschere ein Paradebeispiel dafür, wie aus purer Grundlagenforschung Innovationen hervorgehen können, die atemberaubendes Potenzial haben.

„Kaum ein anderer Nobelpreis zeigt so deutlich, wie wichtig es ist, Grundlagenforschung in der Breite zu fördern“, sagt Jörg Vogel, Direktor des Instituts für Molekulare Infektionsbiologie an der Universität Würzburg sowie Leiter des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung. Er war an einer grundlegenden Publikation Charpentiers beteiligt, in der die Forscher im Jahr 2011 die biologische Aktivität des Enzyms Cas9 definierten.

Vogel war damals in Berlin Leiter einer Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie, Emmanuelle Charpentier, die er seit mehr als 15 Jahren kennt, arbeitete zu der Zeit an der Umeå-Universität in Schweden. Heute ist Charpentier  in Berlin – als Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene. „Sie forschte an Bakterien der Art Streptococcus pyrogenes. Und Mikrobiologie war damals nicht gerade in“, berichtet Vogel. Es sei unklar gewesen, was dabei herauskommen würde. „Und jetzt hat diese Arbeit einfach mal die gesamte Biologie und die medizinischen Grundlagenforschung revolutioniert und ist wie ein Buschfeuer durch sämtliche Bereiche gegangen – von der Pflanzenbiotechnologie bis zur Medizin“, sagt der Würzburger Professor.

Er gönnt den beiden Wissenschaftlerinnen den Preis von Herzen. „Ich freue mich riesig, dass die beiden den Nobelpreis bekommen“, sagt Vogel. Emmanuelle, oder Manu, wie er sie nennt, habe unglaublichen Drive, sei eine begeisterte Mikrobiologin und habe ihre Forschungsarbeit konsequent durchgezogen. Zudem schätzt er sie als charmante Person. Sie arbeite hart und lebe für die Wissenschaft.

Wie die Genschere Crispr/Cas funktioniert, ist einfach und kompliziert zugleich. Kurz gesagt handelt es sich dabei um ein molekulares Werkzeug, mit dem sich das Erbmaterial DNA gezielt verändern lässt. Sie ist universell anwendbar bei Pflanzen, Tieren und Menschen und erlaubt es, bestimmte Gene stillzulegen oder auch Erbgutabschnitte zu ergänzen. Auf diese Weise können Pflanzen mit neuen Eigenschaften versehen werden: Reis etwa, der weniger Schwermetalle speichert, und Weizen, der Trockenheit übersteht.

In der Medizin wird die Genschere bereits in klinischen Studien getestet – etwa um Immunzellen dazu zu bringen, Krebszellen anzugreifen. Auch erste Erfolge bei der Heilung von erblichen Blutleiden wie der Beta-Thalassämie gibt es bereits. Bei dieser genetischen Krankheit ist die Produktion des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin gestört. Im Tiermodell, also präklinisch, erprobt werden außerdem zum Beispiel Therapien erblicher Muskel- und Hirnerkrankungen.

Das Prinzip der Genschere Crispr/Cas9. DNS steht für das Erbmaterial Desoxyribonukleinsäure, gebräuchlich ist auch die englische Abkürzung DNA.
Grafik: AFP; Quellen: Nature, Inserm, MPG

Das biologische Prinzip, das Charpentier und Doudna entschlüsselt und technologisch nutzbar gemacht haben, entstand bei Bakterien. Es ist ein archaisches Immunsystem, mit dem sie Viren abwehren. Die Genschere besteht aus zwei Komponenten: der Schere und einem Adressanhänger. Das Enzym Cas dient dabei als Schere, Crispr ist der genetische Adressanhänger, mit dem das Enzym sein Ziel findet.

Bei Bakterien ist die DNA-Sequenz Crispr gespickt mit Erbinformation von Viren. Das Ganze dient als Archiv vergangener Virenangriffe, um künftige Feinde zu erkennen. Für die gentechnologische Nutzung lässt sich der Adressanhänger durch nahezu jede gewünschte Sequenz ersetzen – etwa um gezielt ein krankmachendes Gen anzusteuern und außer Gefecht zu setzen. Das Zerschneiden übernimmt das Enzym Cas9. Es ist spezialisiert auf das Aufspalten von DNA. Die Reparatur des Erbguts erfolgt wie von allein – jede Zelle verfügt über Mechanismen zum Flicken von DNA-Schäden. Auch eine gewünschte Sequenz lässt sich mit dieser Methode prinzipiell einbauen.

Man könne jeden Organismus damit verändern, sagt Vogel. „Das macht einigen Leuten Angst. Aber die Biologie, vor allem die Molekularbiologie lebt davon, dass man Gene ausschalten kann, um ihre Funktion zu studieren“, erläutert er. Derartige Experimente müssten Forscher nicht nur in der Zellkultur im Labor vornehmen, sondern auch an Modellorganismen wie Fruchtfliege, Fadenwurm und Maus. „All das geht mit Crispr/Cas auf einmal ganz schnell“, schwärmt der Forscher.

Methodisch habe Crispr/Cas9 eine unglaubliche Welle in Gang gesetzt. „Für einen Außenstehenden ist es bisher vermutlich schwer nachvollziehbar, was das für eine Revolution ist. Vielleicht hilft der Nobelpreis jetzt dabei, das zu verstehen“, sagt Vogel. Er staune immer noch, wie schnell der Aufstieg der Genschere erfolgt ist. „Dass acht Jahre nach der Entdeckung bereits klinische Studien laufen und dass es etliche Firmen gibt, die spezielle Therapien damit entwickelt wollen, ist kaum zu glauben.“

Noch hat die Technologie Hürden zu nehmen und ihre Sicherheit zu beweisen. Auch gilt es, den Missbrauch zu verhindern, wenn es etwa um Eingriffe in die Keimzellen von Menschen geht. Ihr Potenzial jedoch ist riesig. Jörg Vogel ist überzeugt: „Wenn der Nobelpreis ein paar Jahre später gekommen wäre, hätten wir auch schon die ersten mithilfe der Crispr/Cas-Technologie geheilten Patienten unter uns.“