Biologie Zellen steuern mit Licht – und Liebe

„Na, spielst du wieder den DJ?“ Meine Kollegin lacht, und ich kann es verstehen. Es muss schon eigenartig anmuten, wie ich im weißen Kittel im vollkommen abgedunkelten Labor in einen Brutschrank starre – und grelle Blitze mein Gesicht in neonblaues Licht tauchen. Im Inneren des Schranks befinden sich Kulturen menschlicher Nierenzellen – sie sind es, auf die ich die Lichtblitze richte. Normalerweise reagieren solche Zellen natürlich nicht auf Beleuchtung, diese aber verfügen über künstliche lichtempfindliche Proteine. Das Forschungsfeld, in dem ich arbeite, ist die Synthetische Biologie. Ich entwickle molekulare Werkzeuge, um Proteine zu kontrollieren und damit gezielt das Verhalten von Zellen zu steuern.

Beim Begriff „steuern“ denken die meisten an Elektronik, Maschinen und Ingenieure und weniger an Proteine, Zellen und Biologen. Tatsächlich lässt sich die Synthetische Biologie als die Ingenieursdisziplin unter den Biowissenschaften verstehen. Es geht darum, Konzepte aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik und Informatik zu übernehmen, um sie auf ­lebende Systeme zu übertragen. Das ­ermöglicht einerseits ein immer detaillierteres Verständnis der komplexen Prozesse, die allem Lebenden – also selbst einfachsten Mikroorganismen – zugrunde liegen. Andererseits gibt es bereits jetzt vielfältige Anwendungen der Synthetischen Biologie. So helfen schon heute genetisch umprogrammierte Bakterien und Hefen beispielsweise bei der Herstellung von Medikamenten gegen Malaria – oder der Produktion von Biodiesel.

Aber Zellen zu steuern, ist kein einfaches Unterfangen. Wie soll man etwas lenken, das seine ganz eigenen Signale hat? Der Ingenieur benutzt hierfür einen Sender und den dazu passenden Empfänger. Die Sache mit dem Sender ist relativ einfach. Wir verwenden Licht. Es lässt sich leicht ein- und ausschalten und hat keine Nebenwirkungen. Im Prinzip kommt eine einfache Taschenlampe in Frage, noch besser aber eignen sich LEDs oder Laser, die sich präzise auf einzelne Zellen ausrichten lassen. Schwieriger ist es mit dem Empfänger, der ja in der Zelle selbst sitzen muss. Er muss das Signal nicht nur auffangen, sondern es auch auf ein Protein übertragen und dessen Aktivität beeinflussen. Nur dann kann die Zelle mit dem Befehl etwas anfangen.

Genau diese Aufgabe soll es auch in Zellen von Säugetieren übernehmen. Dann könnte man es mithilfe von Lichtblitzen dazu bringen, die Zelle gezielt Dinge tun zu lassen – zum Beispiel bestimmte Stoffe produzieren. Die Frage ist nur, wie man dem Protein und der Zelle beibringen soll, als neues Team zusammenzuwirken. Dazu muss man wissen: Was eine Zelle genau macht, hängt nicht nur davon ab, welche Proteine in ihr vorliegen, sondern mindestens ebenso davon, wo sich diese Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Zelle befinden. So können beispielsweise Proteine, die als Genschalter fungieren, nur im Zellkern ihrer Aufgabe nachkommen, also dort, wo die Erbinformation gespeichert ist. Viele Enzymproteine arbeiten hingegen ausschließlich im Zellplasma oder in spezialisierten Zellorganellen, zum Beispiel in den „Kraftwerken der Zelle“, den Mitochondrien.

Zellen kontrollieren die Aktivität ihrer Proteine daher häufig, indem sie diese einfach an ihren Wirkungsort transportieren oder von dort entfernen. Das geht schnell und kostet weniger Ressourcen, als wenn die Proteine ständig neu synthetisiert und gleich wieder abgebaut werden müssten.

Auf der Basis dieses natürlichen Schalt­prozesses wollte ich das LOV-Protein derart modifizieren, dass ich es als universellen Schalter in allen Arten von Zellen einsetzen kann. Mithilfe gentechnischer Methoden versah ich es zunächst mit einer Art Adressetikett, das dem zelleigenen Transportsystem vorgaukelt, das LOV-Protein sei eine wertvolle Fracht, die rasch in den Zellkern hinein- oder aus ebendiesem hinausbefördert werden sollte. Im Dunkeln ist dieses Etikett unsichtbar, und es passiert nichts. Erst durch Bestrahlung mit blauem Licht kommt es zum Vorschein, und der Transport kann losgehen. Hängt man ein derart modifiziertes LOV-Protein nun an beliebige zelleigene Proteine, sollte sich deren Bewegung mit blauem Licht von außen steuern lassen: ein synthetischer lichtabhängiger „Proteinshuttle“: Blaues Licht an bedeutet „Rein in den Zellkern!“, Licht aus heißt: „Raus aus dem Zellkern!“ Soweit die Theorie.

Der Praxistest erfolgte unter dem Mi­kroskop. Dort konnte ich die Bewegung von Proteinen in einzelnen Zellen live verfolgen. Ich koppelte das modifizierte LOV-Protein an ein sogenanntes Reporterprotein, das mir mit seinem roten Leuchten stets verriet, wo in der Zelle es sich gerade befand. Dieses Tandem führte ich in menschliche Zellen einer Kultur ein und begann mit meinen blauen Lichtblitzen. Tatsächlich bewegten sich die Proteine in dem Rhythmus, den ich ihnen mit meinen LEDs vorgab. Schaltete ich das blaue Licht an, wanderte das Reporterprotein binnen weniger Sekunden vom Zellplasma in den Zellkern, bis dieser schließlich tiefrot leuchtete. Schaltete ich das Licht wieder aus, zog sich das Reporterprotein ins Zellplasma zurück. Dieser Proteinshuttle funktionierte dann nicht nur in kultivierten menschlichen Zellen, sondern auch in Hefen und sogar in lebenden Zebrafischembryonen.

Aber lässt sich mit meinem Protein-shuttle auch das Verhalten von Zellen steuern? Um diese Frage zu beantworten, ersetzte ich das rote Reporterprotein durch Genschalter, die die Zellteilung einleiten oder bei gefährlichen Erbgutschäden, etwa infolge von radioaktiver Strahlung, aktiviert werden.

Wie jedes andere Werkzeug hat aber natürlich auch mein modifiziertes LOV-Protein seine Grenzen. So eignet es sich zwar bestens für die Steuerung frei beweglicher Proteine in Zellkulturen. Hin zu einer lichtgesteuerten Krebstherapie im Menschen beispielsweise ist es aber noch ein weiter Weg. Doch weltweit tüfteln die Bio-Ingenieure längst an entsprechenden Verfahren – und die Natur hält sicherlich noch manch überraschende Lösung für sie bereit!