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Nobelpreis in ChemieZwei Frauen revolutionieren die moderne Biologie

Die Französin Emmanuelle Charpentier und die US-Amerikanerin Jennifer Doudna werden für die Entdeckung der Genschere Crispr/CAS9 ausgezeichnet. Ihre Entdeckung hat grosse Auswirkungen auf Pflanzenzüchtung und Medizin.

Emmanuelle Charpentier (l.) und Jennifer Doudna posieren im Jahr 2015 anlässlich einer Ausstellung von Kindergemälden zum Thema Genom in Oviedo in Spanien.
Emmanuelle Charpentier (l.) und Jennifer Doudna posieren im Jahr 2015 anlässlich einer Ausstellung von Kindergemälden zum Thema Genom in Oviedo in Spanien.
Foto: Reuters

Wer wird ausgezeichnet?

Die US-amerikanische Forscherin Jennifer A. Doudna.
Die US-amerikanische Forscherin Jennifer A. Doudna.
Foto: Keystone
Die französische Forscherin Emmanuelle Charpentier
Die französische Forscherin Emmanuelle Charpentier
Foto: Keystone
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Den Nobelpreis für Chemie teilen sich dieses Jahr zwei Frauen – notabene eine Premiere in der fast 120-jährigen Geschichte der Nobelpreise. Ausgezeichnet werden die Französin Emmanuelle Charpentier (51), Direktorin am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin, und die US-Amerikanerin Jennifer Doudna (56), die an der University of California in Berkeley lehrt und forscht. Der Nobelpreis für die Entdeckung der Genschere Crispr/CAS wurde schon lange erwartet. Die beiden Frauen waren dabei die am höchsten gehandelten Kandidatinnen.

Leer geht hingegen der dritte, ebenfalls hoch gehandelte Kandidat für den Preis aus: Feng Zhang vom Broad Institute in Cambridge bei Boston, das gemeinsam von der Harvard University und vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) betrieben wird. Zhang war der Erste, der zeigen konnte, dass die Genschere auch in Zellen von höheren Tieren (und damit beim Menschen) funktioniert.

Was haben die Preisträgerinnen entdeckt?

Die beiden Forscherinnen haben eines der schärfsten Werkzeuge der Gentechnologie entdeckt: die Genschere Crispr/CAS. Damit können Forscher das Erbgut von Bakterien, Pflanzen und Tieren an jeder beliebigen Stelle schneiden und neu zusammensetzen, und das äusserst präzise. Seit der Entdeckung im Jahr 2012 hat die neue Gen-Editier-Methode die Labors der Welt im Sturm erobert. Und zwar nicht nur, weil sich mit der Technologie völlig neue Möglichkeiten auftun, sondern auch, weil die Genschere in der Anwendung sehr einfach ist. «Es ist fast schon erschreckend, wie simpel die Technologie ist», sagte der Prionenforscher Adriano Aguzzi von der Universität Zürich 2015 zu dieser Zeitung.

Wie sind sie auf ihre Entdeckung gekommen?

Wie so oft in der Wissenschaft entsprang die Entdeckung der Genschere Crispr/CAS eher einem Zufall, ganz nach dem Motto von Louis Pasteur, das sich Charpentier zu eigen gemacht hat: «Der Zufall bevorteilt diejenigen, die vorbereitet sind.» Anfang der 2000er-Jahre interessierten sich beide Forscherinnen unabhängig voneinander dafür, wie sich Bakterien vor Viren schützen. Sie stiessen dabei auf Abschnitte im Erbgut der Bakterien, die sich zum Teil wiederholten, die zum Teil aber auch dem Erbgut von Viren sehr ähnlich sahen. Wie sich herausstellte, speichern die Bakterien Teile des Virenerbguts in diesen Abschnitten. Die «Vorlagen» helfen ihnen dann, bei einer nächsten Virusinfektion schneller reagieren zu können.

Diese Genabschnitte, die das primitive Immunsystem der Bakterien ausmachen, nannten die Forscher «Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats», oder eben kurz: Crispr. Der zweite Teil des Namens, «CAS», steht für ein bakterielles Enzym, welches das Erbgut an der vom Crispr-Molekül vorgegebenen Stelle entzweischneiden kann.

Im Jahr 2011 trafen sich Charpentier und Doudna anlässlich einer Konferenz in Puerto Rico und tauschten sich bei einem Stadtrundgang über ihre Forschungen und Pläne aus. Schnell einigten sich die Mikrobiologin (Charpentier) und die RNA-Biologin (Doudna) auf eine Zusammenarbeit. Denn die beiden Forscherinnen hatten bereits das riesige Potenzial ihrer Entdeckung erkannt, die schon per se viel Aufsehen erregt hatte: Sie postulierten, dass man das Werkzeug Crispr/CAS so anpassen könnte, dass es jede beliebige Stelle in jedem beliebigen Erbgut schneiden kann.

Zusammen mit ihren Teams an der Universität von Umeå in Schweden (wo Charpentier damals forschte) und an der UC Berkeley (Doudna) arbeiteten die Forscherinnen darauf Tag und Nacht, um ihr Hypothese zu bestätigen. Es ging dann ganz schnell: Schon im August 2012 publizierten sie zusammen mit ihren Teams die bahnbrechende Arbeit mit dem kryptischen Titel «A Programmable Dual-RNA-guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity» im Fachmagazin «Science». Erstautor der Studie, und damit derjenige Forscher, der am meisten beigetragen hatte, war Martin Jinek, der damals als Postdoc im Labor von Jennifer Doudna arbeitete und heute an der Universität Zürich lehrt und forscht.

Welche Bedeutung hat die Entdeckung?

Mithilfe von Crispr/CAS haben Forscher des Cold Spring Harbor Laboratory eine neue Tomatensorte gezüchtet, die schnell reift und viele Früchte trägt.
Mithilfe von Crispr/CAS haben Forscher des Cold Spring Harbor Laboratory eine neue Tomatensorte gezüchtet, die schnell reift und viele Früchte trägt.
Foto: Cold Spring Harbor Laboratory

Die Bedeutung der Entdeckung kann kaum überschätzt werden, sie ist riesig. Kaum eine wissenschaftliche Entdeckung (der letzten Jahrzehnte) hat in der Forschungsgemeinschaft jedenfalls derart eingeschlagen wie die Genschere Crispr/CAS. Sie revolutionierte nicht nur die Grundlagenforschung in der Biologie, sondern brachte auch die moderne Pflanzenzüchtung auf ein neues Level und ermöglichte völlig neue Therapien gegen Krebs sowie bislang unheilbare Erbkrankheiten.

In der Pflanzengentechnologie zum Beispiel mussten die Forscher in der Ära vor Crispr/CAS meist sogenannte Antibiotika-Resistenzgene in Pflanzen einschleusen, wenn sie diesen neue Eigenschaften verleihen wollten. Das führte zu dem Risiko, dass sich diese unerwünschten Fremdgene im Feld ausbreiten könnten. Crispr/CAS machte solche umständlichen Methoden überflüssig. Mit der Genschere können die Forscher ganz gezielt winzige Veränderungen im Erbgut herbeiführen, die sich nicht von natürlichen Mutationen unterscheiden. Unter anderem konnten Forscher mithilfe von Crispr/CAS Pflanzensorten züchten, die resistenter sind gegen Trockenheit, oder solche, die resistent sind gegen Insekten- oder Pilzbefall.

Derart veränderte Nutzpflanzen sorgen auch politisch und juristisch für Sprengstoff: Soll man sie, sehr streng reguliert, wie klassische Gentechsorten behandeln oder (weil sie keine Spuren der Veränderungen im Erbgut aufweisen) kaum reguliert wie natürliche Züchtungen?

Auch in der Medizin ergeben sich dank Crispr/CAS ganz neue Möglichkeiten. So wird die Genschere eingesetzt, um die ebenfalls noch sehr junge Zelltherapie gegen verschiedene Krebsformen weiter zu verbessern. Auch bei der Suche nach einem Impfstoff gegen Sars-CoV-2 kommt Crispr/CAS zum Einsatz. Viel Hoffnung bietet das Genwerkzeug zudem für die ursächliche Behandlung von Erbkrankheiten, vorerst für solche, die auf einen einzigen Gendefekt zurückzuführen sind. Die Idee dabei: dem Patienten Zellen entnehmen, das defekte Gen im Labor mithilfe von Crispr/CAS reparieren und die Zellen dann dem Patienten wieder in die Blutbahn einschleusen. Bereits laufen erste klinische Versuche mit dieser Methode, und zwar an Patienten, die an Sichelzellanämie oder Beta-Thalassämie leiden. Längerfristig wollen Forscher und Ärztinnen viele weitere Krankheiten mithilfe der Genschere therapieren.

Wie gross sind die Gefahren eines Missbrauchs der Technologie?

Weil sich mit der Genschere derart viele neue Optionen auftun und weil die Methode so simpel ist, öffnet sie auch Tür und Tor für Missbrauch. Zum Beispiel könnte die Methode eingesetzt werden, um neuartige Biowaffen zu entwickeln. Offensichtlich – und auch schon Realität – ist der potenzielle Missbrauch in der Fortpflanzungsmedizin. Vor knapp zwei Jahren berichtete der chinesische Forscher He Jiankui, er habe mithilfe der Genschere Crispr/CAS den ersten genetisch veränderten Menschen auf die Welt verholfen. Die Geburt der Zwillinge Nana und Lulu wurde später von offizieller chinesischer Seite bestätigt. He Jiankui wurde Ende 2019 für seine genetischen Menschenversuche bestraft: Er musste eine hohe Geldbusse bezahlen und für drei Jahre ins Gefängnis.

4 Kommentare
    Christian Walter

    Nobelpreis für Chemie? Ist das nicht Molekularbiologie? Komisch