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Grün fluoreszierendes Protein sorgt für Durchbruch bei Entschlüsselung des genetischen Codes

Der EMBL Postdoc Dmytro Dziuba bei der Begabten AG Molekularbiologie

Am 8. November 2017 besuchte der Postdoc Dmytro Dziuba vom European Molecular Biology Laboratory Heidelberg die Begabten AG am Albertus-Magnus-Gymnasium. Dziuba stellte die faszinierende Entdeckungsgeschichte sowie die Anwendungsmöglichkeiten eines auf genial einfache Weise grün fluoreszierenden Proteins dar. Es stammt aus der Qualle Aequorea victoria und verhalf gleich drei Forschern zu einem Nobelpreis.

Osamu Shimomura isolierte bereits 1962 das Green Fluorescent Protein (GFP) aus Aequorea. Das GFP produzieren die Quallen selbst, in den Zellen am Saum ihres Schirmes. Die Bauanleitung dafür ist in einem entsprechenden Gen in der DNA gespeichert.

Martin Chalfie erhielt die GFP codierende DNA Sequenz von Kollegen und setzte sie mit Methoden der Gentechnik (Plasmid Vektor) in andere Organismen (Bakterien und Würmer) ein, welche nach dieser Genmanipulation das fluoreszierende Protein auch herstellen konnten und selbst leuchteten.

Roger Tsien erforschte mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse den molekularen Aufbau des GFPs. Für seine fluoreszierende Wirkung sind nur drei chemische Agenzien (drei Aminosäurereste innerhalb der Proteinstruktur) verantwortlich, die für die Leuchtreaktion lediglich Sauerstoff benötigen. Seit die recht simple Proteinstruktur bekannt ist, lassen sich durch minimale Mutationen auch viele andere Farben erzeugen. Forscher können jetzt mehrere molekulare Prozesse in Zellen gleichzeitig beobachten; jeden in einer anderen Farbe.

Die dreidimensionale Struktur des GFP lässt sich in der Proteindatenbank bewundern. Dort kann man das Molekül beliebig rotieren sowie vergrößern bzw. verkleinern. Unbedingt ausprobieren!

Moderne Methoden der Genmanipulation (CRISPR-cas9) erlauben es, die GFP-DNA ganz spezifisch an jedes beliebige Gen in theoretisch jedem beliebigen Organismus anzuhängen. Die veränderten Gene werden nach entsprechender Aktivierung im Zellstoffwechsel in Proteine übersetzt, welche in der Zelle grün leuchten. Da die Leuchtreaktion nicht toxisch ist, lassen sich die gentechnisch markierten Proteine in lebenden Organismen beobachten. So lässt sich zukünftig enorm viel herausfinden über bisher noch unbekannte Funktionen von Genen.

Zwischenzeitlich wurde die Methode schon weiter entwickelt. Man kann sie als molekulare Uhr einsetzen und anhand der fluoreszierenden Wirkung das Alter von Zellen bestimmen. Man kann DNA und RNA markieren. Zukünftig lassen sich zu erforschende Gene direkt im Genom leuchtend farbig mit GFP markieren (mit GFP versehener Repressor bindet spezifisch an den jeweiligen Operator). Auch der Calciumstoffwechsel in Nervenzellen lässt sich durch GFP markieren. Es ist sogar schon gelungen, im Gehirn einer Zebrabärblinglarve die neuronalen Aktivitätsphasen jeder einzelnen Nervenzelle im zeitlichen Verlauf sichtbar zu machen.

2017 12 3 Qualle

Wir bedanken uns sehr herzlich bei Dmytro Dziuba für den äußerst spannenden und inspirierenden Vortrag. Besonders gelang es, auf die spezifischen Themenwünsche der Teilnehmerinnen und Teilnehmer der AG einzugehen. Wir freuen uns schon sehr auf den bereits geplanten Gegenbesuch in seinem Labor.