Zellbiologie

Der Kasseler Biologe Markus Maniak untersucht mit dem Nanoskalpell die Wirkung von Proteinen in der Zelle.

Einfache Fragen evozieren komplexe Antworten. Professor Dr. Markus Maniak fragt zum Beispiel: Wie funktioniert die Zelle? So, wie sie ist, sagt der Zellbiologe am Kasseler Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT), erforscht man sie nicht mehr: „Man macht sich seine Zelle selber.“ Mit Hilfe der Molekulargenetik schneidert er sich seine Zelle zurecht, jenen winzigen „Sack von Molekülen, umgeben von einer Membran“. Als Ausgangsobjekt dienen ihm Amöben aus dem Waldboden, die unseren weißen Blutkörperchen ähnlich sind. Diese Amöben durchziehen – Bakterien fressend – den Waldboden.Maniak fragt zum Beispiel, welche Proteine welche Strukturen in Zellen schaffen, welche Funktionen sie steuern, welche Eigenschaft sie der Zelle verleihen. Doch eine Zelle hat zahlreiche Funktionen. Die Wissenschaftler wissen vielfach nicht, wo sie überhaupt nach dem Protein suchen sollen, das eine bestimmte Funktion steuert. Bisweilen aber haben sie eine Vermutung. Sie nehmen zum Beispiel an, daß bestimmte Proteine im Zellkern etwas mit der Steuerung und Vermehrung der Zelle zu tun haben. Wenn das so zutrifft, führt der Umkehrschluß zur Annahme, daß der Ort eines Proteins auf dessen Funktion verweist.

Um Hypothesen überprüfen zu können, macht Maniak ausgesuchte Proteine sichtbar, über die er mehr erfahren möchte. Dazu bedient er sich der Hybridproteintechnologie, an deren Entwicklung er Mitte der neunziger Jahre im Münchner Max-Planck-Institut beteiligt war. Maniak nimmt ein Gen von der Amöbe, um daran die Funktion eines des Proteins zu untersuchen, und ein Gen einer Qualle, das ein fluoreszierendes Protein produziert. Beide Gene werden zu einem Fusionsgen verschmolzen und von der Zelle in ein Hybridprotein umgesetzt. Der eine Teil des Proteins verhält sich nun weiterhin wie das Amöbengenprodukt. Dank der Verbindung mit dem Quallengen kann das neue Hybridprotein aber leuchten. Mit Hilfe des Fluoreszenzmikoskopes kann Maniak den Weg des Proteins in der nur zehn Mikrometer messenden Zelle in Echtzeit verfolgen. Früher, sagt der Wissenschaftler, habe man sich die Zellen zu statisch vorgestellt: „Heute schauen wir zu, wie Zellen funktionieren, wie sie essen und trinken.“

Neue Techniken, sagt Maniak, haben die Auffassung von der Zelle „total revolutioniert“. Er verweist auf das „Nanoskalpell“. Es gebe Proteine, die arbeiteten an vielen Orten in der Zelle wie zum Beispiel das Actin. Dieses Eiweiß sei wichtig für das Zellskelett, für jede Bewegung in der Zelle. Fehle das Actin, bedeute das den Tod der Zelle. Darum ist das Actin molekulargenetisch nicht zu fassen. Werde es durchweg durch Genveränderung eliminiert, um zu sehen, was sich ohne Actin in der Zelle änderte, sterbe die gesamte Zelle.

Statt ein floureszierendes Hybridgen zu konstruieren, schafft Maniak in diesem Fall ein Protein, welches das Actin lokal zerstört. Er stattet das Hybridprotein zu diesem Zweck mit einem „Schneidwerkzeug“ aus, so daß es als Nanoskalpell wirkt. Zudem enthält das Hybridprotein eine weitere Komponente, die
das Schneidwerkzeug an einen spezifischen Ort innerhalb der Zelle dirigiert: Das Hybridprotein breitet sich in der Zelle aus. Sind an einem Ort allerdings alle „Sitzplätze“ für das Protein besetzt, kann das Schneidwerkzeug auch woandershin gehen und dort arbeiten. Daher ist es wichtig, die Menge des Hybridproteins unter der Zahl der Sitzplätze zu halten. Es kommt also auf die richtige Dosis an. Sie muß hoch genug sein, um das Actin lokal zu lähmen, aber nicht so hoch, daß das Actin durch einen Überschuß des Hybridproteins zur gleichen Zeit an anderen Orten betroffen wäre. Dann gäbe es nichts mehr zu beobachten. Dosieren aber die Wissenschaftler ihr Schneid-Protein maßgenau, können sie beobachten, wie die Zelle ohne Actin am rechten Ort zur rechten Zeit arbeitet.

Auf etwa 100 Nanometer genau zerstört das Schneid-Protein das Actin zum Beispiel um jene Bläschen herum, in denen die Zelle verdaut. Der Versuch zeigt: Auch wenn kein Actin an dem Verdauungsbläschen hängt, erleidet die Zelle keine Verstopfung. „Es ist wichtig, festzustellen was keine Rolle spielt, um sagen zu können, was eine Rolle spielt,“ sagt Maniak.

Maniak betreibt Grundlagenforschung, vermehrt Wissen ohne schon die konkrete Nutzanwendung im Blick zu haben. Es ist wie am Beginn des Memory-Spiels: Es kommt darauf an, die ersten Karten aufzudecken. An eine Anwendung seiner Forschung beim Menschen wagt Maniak nicht zu denken: „Wir wenden keine molekularen Tools im Menschen an. Die Leute essen ja nicht einmal Gen-Food.“ Maniak wird also seinen Waldamöben treu bleiben. Deren Verdauung ist einstweilen sein Spezialgebiet. Er hält die Dynamik ihrer Proteine in Filmen fest, zeigt Bilder von der Aufnahme, der Verdauung und der Ausscheidung von Partikeln
(www.uni-kassel.de/fb19/cellbio/). Er hat etwa herausgefunden, daß Zellen, die nicht effektiv genug verdauen, einfach mehr fressen. Sehr menschlich. Neben der Nahrungsaufnahme und -verwertung wird sich Maniak in Zukunft mehr noch als bisher offenen Fragen der „Zellbewegung“ zuwenden.

Autor: Claus-Peter Müller - v. d. Grün

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