(SWR 2) – Der diesjährige Nobelpreis für Chemie geht an die Französin Emmanuelle Charpentier und die Amerikanerin Jennifer A. Doudna. Sie erhalten den Preis für die Entwicklung von CRISPR /Cas9, einer Methode zur Genom-Editierung.

Mit der CRISPR/Cas – Technologie, die landläufig auch „Genschere“ genannt wird, könnten Forscher*innen mit hoher Präzision das Erbgut, also die die DNA, von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen verändern. Diese Technologie habe die Biowissenschaften revolutioniert, trage zu neuen Krebstherapien bei und könne möglicherweise dabei helfen, Erbkrankheiten zu heilen, heißt es in der Begründung des Nobelpreis-Komitees.

Scharlachbakterien haben Superkräfte
Die Französin Emmanuelle Charpentier, seit 2018 Gründungs- und geschäftsführende Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene, hat 2011 per Zufall entdeckt, dass Scharlachbakterien (Streptococcus pyogenes) Superkräfte besitzen. Einen Virusangriff überstehen sie mit einer ganz speziellen Taktik:

Wenn ein Virus ein Bakterium angreift, injiziert es sein Erbgut in die Bakterienzelle. Das Bakterium reagiert – und baut ein Stück der Virus-DNA in sein eigenes Erbgut ein. So erstellt das Bakterium ein Feindarchiv – es „merkt“ sich den Angreifer – und kopiert einen Strang der Virus-DNA. Diese Kopie dient nun als Vergleichsmuster. Es heftet sich an ein Enzym, das wie eine Schere DNA zerschneiden kann. Ein Abgleich mit dem Muster und die Genschere macht die DNA des Eindringlings unschädlich.

Austausch und Reparatur von Genen möglich
Ihre Entdeckung hat Emmanuelle Charpentier dann zusammen mit der US-amerikanischen Biochemikerin Jennifer Doudna so weiterentwickelt, dass dieser Abwehrmechanismus nun für ganz andere Zwecke genutzt werden kann.

In ihrer natürlichen Form kann die Genschere die DNA von Viren erkennen. Charpentier und Doudna konnten aber beweisen, dass die Genschere so kontrolliert werden kann, dass sie jedes DNA-Molekül an einer vorbestimmten Stelle schneiden kann. Und damit ist es möglich, den Code des Lebens neu zu schreiben.

Die Forscherinnen können diese Genscheren in abgewandelter Form auch in Zellen anderer Lebewesen einschleusen, die dann ganz gezielt fehlerhafte Stellen im Erbgut erkennen und die DNA genau hier zerschneiden. Mutierte Gene, die z.B. Krankheiten verursachen, können so ausgeschaltet werden. Mithilfe dieser Methode könnten nicht nur Gene zerschnitten, sondern auch repariert oder ausgetauscht werden.

Seit der Entdeckung der Genschere CRISPR/Cas durch Charpentier und Doudna im Jahr 2012 kam die Methode immer häufiger zum Einsatz. Dieses Werkzeug hat zu vielen wichtigen Entdeckungen beigetragen in der Grundlagenforschung und in der Praxis:

• Pflanzenforscher konnten Pflanzen entwickeln, die gegenüber Schimmel, Schädlingen und Trockenheit unempfindlich sind

• In der Medizin gibt es klinische Studien zu neuen Krebstherapien.

• Erbkrankheiten könnten erstmals geheilt werden.

Diese genetischen Scheren haben in den Biowissenschaften eine neue Epoche eingeläutet und bringen der Menschheit in vielerlei Hinsicht „den größten Nutzen“, so die Aussage des Nobelpreiskomitees.

Ethische und medizinische Bedenken gegenüber CRISPR/Cas
Aber es gibt gegenüber der Genschere auch einige ethische und medizinische Bedenken. So hatte im Herbst 2018 ein chinesischer Forscher bekanntgegeben, dass er die Gene von zwei ungeborenen Mädchen verändert hat – mithilfe der Technik CRISPR/Cas.

Der chinesische Forscher He war vermutlich der erste, der mit der CRISPR/Cas Methode in die menschliche Keimbahn eingriff und dabei direkt das Erbgut veränderte. Die manipulierten Gene sind also in allen Zellen des Körpers und werden auch an spätere Nachkommen der Zwillinge weitergegeben. Der Forscher wollte mit dem Eingriff die Babys gegen eine HIV-Infektion immunisieren.

Emanuelle Charpentier, eine der Entdeckerinnen der Genschere CRISPR/Cas, sprach damals von einer roten Linie, die überschritten wurde. Außerdem ist das gentechnische Werkzeug CRISPR/Cas laut vielen Experten noch nicht so weit entwickelt, dass es sich zur Anwendung beim Menschen eignet. Hinzu kommen ethische Bedenken, ob man die Gene von Embryonen überhaupt verändern sollte. CRISPR/Cas ist also eine Methode, die zwar viele Möglichkeiten bietet, mit der aber auch verantwortungsvoll umgegangen werden muss.

Patentstreit noch nicht vorbei
Spannend bei der Vergabe des Preises an Charpentier und Doudna ist, dass sich die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hier in einen laufenden Patentstreit einmischt. Denn neben den beiden Forscherinnen gibt es noch weitere Kandidaten, die an der Entdeckung von CRISPR/Cas9 beteiligt waren, die jetzt leer ausgingen.

Dass CRISPR/Cas9 mit einem Nobelpreis geehrt wird, war aber vielen Experten klar – die Frage war nur wann. Toni Cathomen, Direktor des Instituts für Transfusionsmedizin und Gentherapie des Universitätsklinikums Freiburg sagte zu der Vergabe:

„Die Entdeckerinnen erhalten völlig zu Recht den Nobelpreis. CRISPR/Cas ist ein absoluter Glücksfall für die Lebenswissenschaften.“

Die Preisträgerinnnen
Emmanuelle Charpentier, geboren 1968 in Juvisy-sur-Orge, Frankreich. Abteilungsleiterin am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig und Professorin an der Medizinischen Hochschule Hannover (2013-2015). Seit 2018 Gründungs- und geschäftsführende Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene.

Jennifer A. Doudna Cate, geboren 1964 in Washington D.C. Sie erwarb 1989 einen PhD an der Harvard University. Die Biochemikerin und Molekularbiologin ist seit 2003 Professorin an der University of California, Berkeley Doudna forscht außerdem seit 1997 für das Howard Hughes Medical Institut in Maryland, USA.

Mit Charpentier und Doudna teilen sich das erste Mal zwei Frauen den Chemienobelpreis. Sie sind außerdem erst die sechste und siebte Frau, die den Preis gewinnen.

Die Hoffnung stirbt zuletzt, hoffentlich hat die Wissenschaft ausnahmsweise einmal unrecht!

Jean Pütz

(Uni Saarland) – Die Infektionszahlen im gesamten Bundesgebiet steigen rasant. Auch wenn der Teil-Lockdown nun schnell umgesetzt wird, lässt sich die starke Ausbreitung des Coronavirus nur mit Verzögerung ausbremsen. Wie die Infektionsentwicklung aussehen könnte, haben Forscher der Universität des Saarlandes jetzt in verschiedenen Szenarien durchgerechnet. Sie können damit zeigen, dass nur mit einer drastisch gesenkten Reproduktionszahl eine Überlastung der Krankenhäuser und Intensivstationen noch zu verhindern ist. Der dafür genutzte Covid-Simulator kann jetzt auch für einzelne Stadt- und Landkreise im ganzen Bundesgebiet die Infektionszahlen vorhersagen.

„Wir wissen aus der Entwicklung im Frühjahr, dass sich erhöhte Infektionszahlen erst mit mehrwöchiger Verzögerung auf die Belegung der Intensivstationen auswirken. Daher sind auch derzeit trotz anvisiertem Teil-Lockdown die Spitzenbelegungen erst zwischen Mitte November und Anfang Dezember zu erwarten. Mit unseren Simulationen mussten wir leider feststellen, dass unabhängig davon, wie stark man ab jetzt die weitere Ausbreitung des Coronavirus stoppen kann, im Dezember mindestens doppelt so viele Intensivbetten belegt sein werden wie zu Spitzenzeiten der ersten Welle“, sagt Thorsten Lehr, Professor für Klinische Pharmazie der Universität des Saarlandes. Gemeinsam mit seinem Team und Forscherkollegen hat er das mathematische Modell für den Online-Simulator entwickelt, das auf der Basis umfangreicher Daten präzise Ergebnisse für das gesamte Bundesgebiet liefert.

Nach Berechnungen der Wissenschaftler liegt derzeit die bundesweite mittlere Reproduktionszahl bei 1,43. Diese sagt aus, wie viele Menschen ein Infizierter im Durchschnitt ansteckt, derzeit übertragen also zehn Infizierte das Coronavirus auf etwas mehr als vierzehn Personen.  „Wenn es uns gelingen würde, den R-Wert wieder auf das gleiche Niveau wie bei dem ersten Lockdown im Frühjahr, also auf etwa 0,6 zu drücken, würde ein Monat nicht ausreichen, um das Infektionsgeschehen in den Griff zu bekommen. Es gäbe auch dann noch bei über der Hälfte der Stadt- und Landkreise mehr als 50 Neuinfektionen pro 100.000 Einwohner im Schnitt der letzten sieben Tage gerechnet“, warnt Thorsten Lehr. Selbst bei dem sehr niedrigen und derzeit äußerst unrealistischen R-Wert von 0,3 lägen nach einem Monat noch knapp 20 Prozent der Stadt- und Landkreise über dem 7-Tages-Inzidenzwert von 50.

Im Rückblick konnten die Forscher genau sehen, wie sich die einschneidenden politischen Interventionen im Frühjahr, also Schulschließungen und Ausgehbeschränkungen, auf die Infektionszahlen auswirkten. Im Unterschied zu damals hat sich das Coronavirus jetzt jedoch flächendeckend in der Bevölkerung ausgebreitet. Zudem fallen die aktuell beschlossenen Maßnahmen weniger drastisch aus als im März, so dass die Wissenschaftler nicht vorhersagen können, wie gut diese das Infektionsgeschehen eindämmen können. „Wir haben daher verschiedene Reproduktionsraten durchgerechnet, um zu zeigen, wie sich die Spannweite von nur geringem Rückgang, also einem Wert von 1,1, auf eine extreme Drosselung auf 0,3, auf die Krankenhausbelegung auswirken würde“, erläutert Thorsten Lehr. Daraus ergeben sich die farbigen Kurven in den Schaubildern, die die durchschnittlich zu erwartenden Infektionsfälle und die Zahl der intensivmedizinisch zu behandelnden Covid-19 Patienten widerspiegeln.

„Diese Simulationen machen sichtbar, dass die Wirkung der aktuellen Maßnahmen wahrscheinlich stärker sein müssten als bei dem ersten Lockdown im März. Nur so kann es gelingen, dass das Infektionsgeschehen wieder kontrollierbar wird“, unterstreicht Professor Lehr. Nach den niedrigen Covid-19-Zahlen im Sommer hatte sich die Infektionsdynamik Mitte September deutlich geändert, so dass es Anfang Oktober zu dem stark exponentiellen Anstieg der täglichen Fälle kam. “Bei diesem Wendepunkt, den wir auch in den Abbildungen markiert haben, spielte vermutlich eine entscheidende Rolle, dass die Gesundheitsämter nicht mehr bei allen Infizierten nachverfolgen konnten, wo diese sich angesteckt hatten und mit wem sie seitdem Kontakt hatten“, sagt Thorsten Lehr. Um diese so wesentliche Nachverfolgung wieder zu gewährleisten, sei es sinnvoll, die Zahlen auf täglich unter 2000 Neuinfizierte zu drücken. „Wenn es uns nicht gelingt, die Reproduktionszahl in den kommenden Wochen deutlich zu senken, wird dies unweigerlich zu einer extremen Belastung des Gesundheitswesens im Dezember führen. Möglicherweise wird es daher Ende November noch zu früh sein, um wieder zu einem ‚normalen‘ Alltag zurückzukehren“, warnt Thorsten Lehr.

Um die weitere Entwicklung mit präzisen Prognosen zu begleiten, haben die Saarbrücker Wissenschaftler die frei zugängliche Online-Plattform des Covid-Simulators jetzt noch weiter verfeinert, so dass man auch für alle Stadt- und Landkreise im Bundesgebiet die Infektionszahlen berechnen kann. „Wir erfassen dafür nicht nur die Zahl der Coronavirus-Patienten, ihre stationäre Behandlung und die Todesfälle, sondern analysieren auch die vorhandenen Kapazitäten in den Kliniken. So können wir sehr früh auch für einzelne Regionen vorhersagen, wie viele Krankenhausbetten, intensivmedizinische Plätze oder Beatmungsplätze für die jeweiligen Infektionszahlen benötigt werden“, erläutert Thorsten Lehr.

Die Saarbrücker Forscher veröffentlichen regelmäßig detaillierte Prognosen für alle Bundesländer, die der Politik und dem Gesundheitswesen als Entscheidungshilfe dienen sollen. Das Besondere des Covid-19-Simulators ist die breite Datenbasis, die für die aufwändigen Berechnungen verwendet wird: Neben den Erhebungen des Robert-Koch-Instituts sowie der Kreis- und Landesgesundheitsämter werden beispielsweise die recherchierten Corona-Fallzahlen der „Berliner Morgenpost“ ergänzt. Zudem werden klinische Daten von über 8000 stationär behandelten Covid-19-Patienten aus über 100 deutschen Kliniken und verschiedene Angaben der Gesundheitsministerien ausgewertet.

An dem Covid-19-Simulationsprojekt sind neben dem Team von Professor Thorsten Lehr auch Forscherinnen und Forscher am Universitätsklinikums des Saarlandes beteiligt. Dazu zählen die Teams um Professorin Sigrun Smola und Dr. Jürgen Rissland am Institut für Virologie, und um Professor Thomas Volk und Professor Sascha Kreuer am Institut für Anästhesiologie, Intensivmedizin und Schmerztherapie.

(DSIM)– Säugetierherzen haben eine große Schwäche: Sind sie erst einmal ausgewachsen, können sie kaum noch neue Muskelzellen bilden. Schäden am Herzmuskel – etwa nach einem Infarkt – gelten daher als irreversibel und sind für eine hohe Zahl von Todesfällen verantwortlich. Bei Untersuchungen an Mäusen konnten Wissenschaftler um die Heidelberger Kardiologin Dr. med. Carolin Lerchenmüller nun jedoch zeigen, dass die Zahl neu gebildeter Kardiomyozyten sich durch Ausdauersport deutlich steigern lässt. Für die Forschungsarbeit, die im vergangenen Jahr im Wissenschaftsjournal Nature Communications erschienen ist, wurde Lerchenmüller mit dem Präventionspreis ausgezeichnet. Den mit 10.000 Euro dotierten Preis verleiht alljährlich die Deutsche Stiftung Innere Medizin (DSIM) gemeinsam mit der Deutschen Gesellschaft für Innere Medizin e.V. (DGIM) auf dem Internistenkongress.

Dass Sport gut für das Herz ist, kann als Gemeinplatz gelten – wissenschaftlich zu beweisen oder gar zu quantifizieren ist die Aussage jedoch nur schwer. Der diesjährigen Preisträgerin ist dies nun in aufwändigen Versuchsreihen gelungen. Im Rahmen der ausgezeichneten Studie stellte sie der Hälfte ihrer Versuchstiere über acht Wochen hinweg ein Laufrad zur Verfügung, der anderen Hälfte nicht. Während der gesamten Zeit erhielten die Mäuse per Infusion DNA-Bausteine, die anstelle von normalem Stickstoff (¹⁴N) dessen „schwere“ Variante ¹⁵N enthielten. Per Massenspektrometrie ließ sich daher neu gebildetes von bereits zuvor bestehendem oder lediglich repariertem Erbgut unterscheiden – und damit auch neu entstandene Herzmuskelzellen identifizieren

Wie sich am Ende der achtwöchigen Versuchsspanne zeigte, waren die Herzen der trainierten Tiere nicht nur größer und schwerer geworden, sie hatten auch mehr als viermal so viele neue Kardiomyozyten, also Herzmuskelzellen, gebildet wie die Herzen der untrainierten Tiere. In einer zweiten Versuchsreihe konnten Lerchenmüller und ihr Team diesen Befund auch bei Mäusen bestätigen, die vor Beginn der Trainingsphase einem künstlich verursachten Herzinfarkt ausgesetzt worden waren

Den Forschern gelang es darüber hinaus, ein biochemisches Bindeglied zu identifizieren, dem offenbar eine Mittlerrolle zwischen sportlicher Aktivität und Regeneration des Herzmuskels zukommt: Eine als miR-222 bezeichnete mikro-RNA wird unter Training vermehrt gebildet. Als die Forscher diese mikro-RNA blockierten, verhinderte das den positiven Effekt des Sports auf die Entstehung neuer Herzmuskelzellen. Ob sich hieraus mögliche Ansätze für eine medikamentöse Unterstützung des Regenerationsprozesses ergeben, muss in weiteren Studien untersucht werden.

Die Preiskommission begründet ihre Entscheidung unter anderem mit der vielfältigen Methodik der Studie, die ein breites Spektrum von der Erfassung des Verhaltens – die Laufrad-Mäuse liefen im Schnitt 5,5 Kilometer am Tag – über klinische Parameter bis hin zu histologischen und biochemischen Untersuchungen umfasst. „Die Arbeit zeigt, dass die Neubildung von Kardiomyozyten in einem Rahmen gesteigert werden kann, der durchaus gesundheitsrelevant sein kann“, sagt Professor Dr. med. Jürgen Schölmerich, Vorsitzender der DSIM aus Wiesbaden. Dass dieser Prozess sowohl in gesunden, als auch in vorgeschädigten Herzen angestoßen werden konnte, belege die große Bedeutung, die dem Sport sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärprävention von Herzerkrankungen zukomme.