Synthetische Biologie Gen-Maschinen für die Umwelt

Sven Bittners, Philipp Gaugler, Lisa Wellinger und Lukas Lange (von links) Foto: Anne Faden
Sven Bittners, Philipp Gaugler, Lisa Wellinger und Lukas Lange (von links) Foto: Anne Faden

Tübinger Studenten bauen wie Ingenieure aus Hefezellen, Rezeptoren und Korallenfarbstoffen einen Test für die Hormonbelastung in Gewässern.

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Tübingen - Am Interfakultären Institut für Biochemie der Universität Tübingen sind an diesem Freitag nur aus einem Labor gedämpfte Geräusche zu hören. Abgeschirmt von der Herbstsonne hantieren vier Studenten in weißen Kitteln und hellgrünen Schutzhandschuhen an einem langen Tisch. Dort stehen eine Zentrifuge, Reagenzgläser mit klaren Flüssigkeiten und Platten mit einem Gel aus Algen, das als Nährboden für Bakterien und andere Mikroorganismen dient.

Die 15 Nachwuchswissenschaftler des Tübinger Teams wollen einen Test entwickeln, um die Hormonbelastung von Gewässern zu messen. Sie studieren Biologie, Biochemie und Bioinformatik. Seit Monaten tüfteln sie im Labor gemeinsam an ihrem Beitrag für den internationalen igem-Wettbewerb des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Die Abkürzung im Namen des Wettbewerbs steht für „genetisch veränderte Maschinen“. Seit 2003 organisiert die Universität diesen Wettstreit zur synthetischen Biologie, einer Weiterentwicklung der Gentechnik.

Sie arbeiten mit der Natur wie Ingenieure

Lisa Wellinger füllt mit einer Pipette eine klare Flüssigkeit in kleine Plastikröhrchen. Sie studiert Biochemie im vierten Semester. In der Flüssigkeit schwimmen Bakterien, die überall in der Natur vorkommen. Bis auf einen Unterschied: Lisa Wellinger hat ihren Bakterien künstliche Erbinformation eingebaut, über Nacht haben sie sich vermehrt. Jetzt fügt sie eine starke Lauge zu den Bakterien hinzu, anschließend kommen die Proben in die Zentrifuge. So kann sie die DNA von den restlichen Bestandteilen trennen.

Die Studenten arbeiten mit einzelnen DNA-Einheiten mit bestimmten Eigenschaften, den sogenannten Biobricks. Diese Biobricks dienen als modulare Bausteine, die in das Erbgut von Mikroorganismen eingebaut werden. „In der synthetischen Biologie arbeiten wir ingenieurwissenschaftlich – wir erschaffen ein System, das es in der Natur so nicht gibt“, erklärt der Biologiestudent Sven Bitters. „Grundsätzlich kann man alle diese DNA-Bausteine aneinandersetzen.“ Damit das funktioniert, besitzen die Biobricks standardisierte Schnittstellen. Sie werden daher oft mit Legosteinen verglichen.

Eine Bibliothek der biologischen Bausteine

Das MIT speichert alle Biobricks, die durch den iGEM-Wettbewerb entwickelt wurden, in einer Datenbank. Wissenschaftler können sich auf diese Weise Organismen mit gewünschten Eigenschaften nach Bedarf zusammenbauen. „Im Idealfall schaffen wir das in einer Woche“, sagt der Biochemiestudent Alfred Hanswillemenke. „Die Herausforderung für uns ist allerdings nicht, die Biobricks in den Organismus einzusetzen, sondern neue Biobricks zu entwickeln.“

Lisa Wellinger hat inzwischen die aus den Bakterien isolierte DNA in eine Platte mit einem Gel gegeben und in ein Gerät zur Gelelektrophorese eingefügt. Eine elektrische Spannung bewirkt, dass die negativ geladenen DNA-Stücke durch das Gel zum Pluspol des Gerätes wandern. Kleine DNA-Stücke gelangen schneller durch das Gel als große – so werden sie nach Größe sortiert. „Weil da ein Farbstoff mitläuft, kann ich mir das hinterher unter einer UV-Lampe genauer anschauen“, erklärt die Studentin. „So können wir überprüfen, ob wir die richtigen Biobricks hergestellt haben.“

Leuchtende Hefezellen mit Fisch-Rezeptoren

Die jungen Forscher wollen die Möglichkeiten der Biobricks nutzen, um einen simplen Test für die Hormonbelastung von Gewässern herzustellen. Bislang schaffen es Kläranlagen nicht, diese Stoffe zuverlässig herauszufiltern. Das trifft vor allem Fische, die die Hormone über Rezeptoren in ihrem Gewebe aufnehmen und unfruchtbar werden können. Deshalb haben die Studenten der Universität Tübingen die Gene für die Rezeptoren aus dem Erbgut der Fische extrahiert und bauen sie in die DNA von Hefezellen ein. Ein orange fluoreszierendes Gen aus einer Koralle ist dafür ­verantwortlich, dass die Hefezellen später unter einer UV-Lampe leuchten, sobald ein Hormon an den Rezeptor andockt.

So können die Studenten messen, wie stark das Wasser verschmutzt ist. Die genetisch veränderten Hefezellen gelangen selbst nicht in die Umwelt, denn das fertige Messsystem wird ein Labortest sein. Das iGEM-Team wird von einer Arbeitsgruppe unter der Leitung von Ralf-Peter Jansen am Interfakultären Institut für Biochemie unterstützt. Sie hat das Labor zur Verfügung gestellt und beteiligt sich finanziell, denn die Herstellung der entworfenen Biobricks muss eine Firma übernehmen, und das ist teuer.

Im Labor versammelt sich die Gruppe vor einem Computer, der an ein Fotometer angeschlossen ist. In dem Gerät werden die DNA-Stücke von einer UV-Lampe bestrahlt, dann wird die Fluoreszenz der Farbstoffe gemessen. „Es sieht schon besser aus als beim letzten Mal“, sagt Alfred Hanswillemenke beim Blick auf den Monitor. „Bei ein paar ist aber etwas ganz anderes drin, von dem wir nicht sagen können, was es ist. Das machen wir noch mal!“ Kleine Fehlschläge gehören zum Wissenschaftsbetrieb.

Bis zum europäischen Vorentscheid des Wettbewerbs Mitte Oktober im französischen Lyon müssen die Studenten jedoch fertig sein. Eine Medaille erhoffen sie sich schon – dass sie Anfang November zum Finale in die USA fliegen dürfen, glauben sie aber nicht. Die Universität Tübingen hat noch nicht sehr viele Erfahrungen mit dem iGEM-Wettbewerb gesammelt. „Unsere Motivation war vor allem, den Menschen zu zeigen, dass Gentechnik auch ein Mittel zum Umweltschutz sein kann“, sagt Alfred Hanswillemenke. „Denn viele haben keine Vorstellung davon, was in den Laboren passiert.“

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