Genmanipulation
Das Skalpell ersetzt die Axt im Labor

Am Genom herumzuprobieren, war bisher wie Salami mit der Axt schneiden – Crispr-Cas9 ist viel präziser und billiger

Christoph Bopp
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Warum sind Kinder ihren Eltern ähnlich? Dumme Frage, dachte man lange. Erst seit 1953, als James Watson und Francis Crick die DNA-Doppelhelix entdeckten, weiss man es etwas besser. Das Geheimnis des Lebens liegt in dieser Substanz, der DNA, dem Erbgut. Dort wird die Information aufbewahrt.

Das Gold im Abfall

Die DNA besteht aus einer doppelten Kette von vier verschiedenen Basen. Bestimmte Abschnitte nennt man Gene, sie codieren für einen bestimmten Baustein/Stoff, den die Zelle braucht. Daneben gibt es lange Abschnitte auf dem Strang, der nicht codiert. Einige Abschnitte haben ähnliche Funktionen wie die Satzzeichen in einem Text, andere sind Signale, wie zu lesen ist: vorlesen oder auslassen? – und von vielen Abschnitten hatte man keine Ahnung, wozu sie gut sein sollten: Lange nannte man sie «Junk-DNA», Abfall-DNA.

Je besser man die Stränge sequenzieren konnte (also «lesen»), desto mehr kam die Forschergemeinde ins Staunen. Im Genom des Darmbakteriums Escherichia coli fanden japanische Forscher ein komisches Sandwich: Fünf identische DNA-Sequenzen, zwischen denen andere «DNA-Wörter» lagen. Den Zwischenräumen sagte man «spacers», für das «Brot» des Sandwichs fand man den Begriff «Crispr» (clustered regularly interspaced short palindromic repeats - das beschreibt sie nicht schlecht).

Beim Weiterwühlen im «Abfall» zeigte sich, dass in der Nähe der Crispr-Abschnitte immer die gleichen paar Gene lagen. Man nannte sie Cas (Crispr associated genes). Dass sie für ein Enzym codierten, das DNA zerschneiden konnte, merkte man relativ rasch.

«Das sind ja Viren-Stücke»

Dann bemerkte man, dass diese «Spacer» Ähnlichkeiten hatten mit der DNA von Viren. «Jetzt machte es ‹Klick›», sagte der russisch-amerikanische Evolutionsbiologe Eugene Koonin. Offenbar dient dieses Crispr-Zeug den Bakterien als Waffe, um Viren abzuwehren. Man baute es dann in Joghurt-Bakterien ein, erfolgreich.

Wie das Bakterium die Waffe bedient, sahen dann Jennifer Doudna von der UCLA in Berkeley und Emmanuelle Charpentier vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig und ihre Mitarbeiter. 2012 bereits schafften sie es, DNA an einer genau bestimmten Stelle zu zerschneiden; 2013 schnitten sie bei einer menschlichen Zelle ein Stück DNA heraus und ersetzten es durch ein anderes.

Das Bakterium macht es so: Dringt eine fremde DNA ein (zum Beispiel ein Virus), schneidet das Cas-Enzym ein Stückchen raus und speichert es in einem Spacer. Diese «Feinde»-Galerie liefert die Steckbriefe unerwünschter Eindringlinge. Kommt einer, der einen bereits bekannten Abschnitt aufweist, – schnipp-schnapp tritt das Cas-Enzym in Aktion.

Sie tun es seit Millionen Jahren

Zum mächtigen Werkzeug im Genome-Editing macht das Crispr-Verfahren der Umstand, dass es sich «programmieren» lässt. Man kann selbst «Steckbriefe» zeichnen und den Mechanismus nach einer bestimmten Sequenz suchen und dort schnippeln lassen. Und die Selbstheilungsmechanismen der Zelle flicken dann ein gewünschtes Stück DNA rein. Das ist «copy/cut – paste», wie es aus modernen Textverarbeitungsprogrammen bekannt ist.

Am Erbgut rumbasteln war nichts Neues. Aber die Verfahren waren unpräzis, teuer und umständlich. Crispr-Cas9 ist elegant, präzis und schnell, wie von der Natur nicht anders zu erwarten. Zu entdecken gab es für den Menschen ja nicht viel, denn Mikroben praktizieren das Verfahren bereits seit Millionen von Jahren. Und weil sie Einzeller sind, vererben sie die Einbrecher-Galerie an ihre Nachkommen. Unser Immunsystem hingegen startet immer bei Null.

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