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Die Bausteine des Lebens

Forschung Marburg Die Bausteine des Lebens

100 Forscher, 33 Arbeitsgruppen und zig Millionen Euro Forschungsgelder von Land und Bund: Das Zentrum für Synthetische Mikrobiologie ist ein über die Stadtgrenzen bekanntes Forschungszentrum. Die OP hat sich einen Einblick verschafft.

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Das super-auflösende Sted-Mikroskop wurde mit Loewe-Mitteln für das Synmikro in Marburg angeschafft. Es macht sichtbar, wie lebende Zellen im Inneren organisiert und aufgebaut sind. So können z.B. elementare Zellstrukturen und Molekül-Dynamiken lebender Bakterien beobachtet und gezählt werden. Foto: Nadine Weigel/Synmikro

Quelle: Thomas Ernsting

Marburg. Das alte betonfarbene Mehrzweckgebäude, in dem Synmikro auf den Lahnbergen untergebracht ist, versprüht eher nostalgischen Charme, als dass es frischen Forschergeist suggeriert. Professor Anke Becker, die wir im fünften Stock des verwinkelten Gebäudes treffen, ist die alte Fassade egal.

Erstens soll es bis 2019 einen Neubau geben, zweitens gilt für sie: außen pfui, innen hui. In ihrem Labor stehen schon jetzt Millionen-Investitionen wie das Sted-Mikroskop, die das hessische Exzellenzprogramm Loewe finanziert hat.

Mega-Geräte für Mikroorganismen

„Laborautomationsplattformen“, so nennen sich die Fabriken in Zimmergröße, geben den Forschern die Möglichkeit, Mikroorganismen, also kleinste Lebewesen, zu beobachten. „Wir können mit der Apparatur Bodenbakterien in einem Spalt einfangen, der einen zweitausendstel Millimeter breit ist und sie dort in Ruhe anschauen und zählen.

Auf dem Bildschirm, vor dem sie sitzt, sieht man haufenweise ovale Stäbchen. Manche sind rot, andere gelb: „Es ist eine relativ junge Entdeckung, dass nicht alle Bakterien einer Kolonie dieselbe Aufgabe haben“, erklärt Becker. Im Prinzip sei es wie bei den Ameisen: Ein Bakterium allein könne nicht viel Schaden anrichten, aber wenn viele von ihnen koordiniert angreifen würden, ist die Abwehr für den Körper schwer.

Ein Rätsel geben Beckers Team vor allem die auf dem Monitor rot gefärbten „Cheater“-Bakterien auf. Richtige Faulenzer, die überhaupt keine Funktion zu haben scheinen. Vermutlich sparen sie Energie, während die Kollegen eine Schleimhülle produzieren, die Nährstoffe bindet und wieder Andere die Feinde der Kolonie angreifen.

Becker ist so etwas wie eine Personalmanagerin für Bakterienstämme, die sie bis zur Perfektion immer wieder neu zusammenstellt und aufbaut. Irgendwann ließe sich so vielleicht die industrielle Produktion verbessern. In Fermentationsprozessen werden etwa mithilfe von Bakterien Zuckerersatzstoffe hergestellt. „Wenn die Arbeitsteilung der Bakterien besonders effizient wird oder wir die ,Cheater‘ aussortieren können, könnten wir diese Prozesse beschleunigen.“

Effizienz durch Arbeitsteilung

Effizienz durch Arbeitsteilung, das ist nicht nur das Motto der Arbeitsgruppe von Anke Becker, sondern scheint auch die Maxime am Synmikro zu sein: Alle Forscher haben Zugriff auf die Apparate und das Know-how der Kollegen. So nutzen zum Beispiel Anke Becker und Torsten Waldminghaus hin und wieder die gleichen Apparate und inspirieren sich durch ihre Ideen gegenseitig.

Der Leiter der Arbeitsgruppe Chromosomenbiologie forscht ebenfalls an Bakterien. Er ist der Puzzle-König unter den Synmikro-Forschern. „In Bakterien wie im Menschen liegen die Erbinformationen auf Chromosomen vor. Die bestehen aus immer wieder gefalteter und verschränkter DNA. Ausgerollt würde das Erbgut von Organismen überhaupt nicht in eine Zelle passen. Es wäre viel zu groß“, so Waldminghaus.

Wenn sich die Zelle teilt, wird jedes Mal die gesamte Erbmasse wieder auseinandergefaltet und abgeschrieben. „Uns interessiert, wie dieser ständige Instandhaltungsprozess gewährleistet wird und welche Gene daran beteiligt sind“, so Waldminghaus.

Dafür hat sein Team in anderthalbjähriger Kleinarbeit das Chromosom eines krankheitserregenden Bakteriums nachgebaut. Ein relativ einfaches mit 10000 Bausteinen. Ein menschliches Chromosom hat Millionen davon. Durch das Nachbauen soll verstanden werden, wie die Reparaturmechanismen des Erbguts funktionieren, wenn beim ständigen Falten und Auseinanderfalten mal etwas schiefgeht.

Trotz jahrelanger Forschung kratzt die Wissenschaft nur an der Oberfläche „Selbst bei den am besten erforschten Bakterien, wissen wir immer noch nicht wofür 60 bis 70 Prozent der Gene gut sind“. Es gibt noch dicke Bretter zu bohren, viel Grundlagenforschung liegt vor den Synmikro-Wissenschaftlern.

Puzzle mit den Bausteinen des Lebens

Es gibt aber auch viele Visionen, wie die Forschung eines Tages in nützliche Erfindungen umgemünzt werden kann. Gert Bange ist ebenfalls Leiter einer Arbeitsgruppe am Synmikro und interessiert sich vor allem für die Fortbewegung von Bakterien. Die nutzen dazu kleine fadenartige Strukturen, die - mit einem Motor betrieben - die Zelle steuern können.

„Im Prinzip rotiert die Flagelle in die eine oder andere Richtung und treibt so das Bakterium an.“ Bange sprüht nur so vor Ideen, was man mit den kleinen Flagellen alles anstellen kann. Dem Wissenschaftler ist es gelungen, den Motor und den Antriebsfaden falsch anzu bauen. Dann ist das Bakterium manövrierunfähig. „Wir haben es aber zum Beispiel auch geschafft, die Flagellen aus leitungsfähigem Material nachzubauen“, so Bange.

Herausgekommen sind dabei im Prinzip leitende Kabel in Nanometer-Größe, die irgendwann ideale Bauteile für Nano-Computer sein könnten. „Für Ausgründungen und Produkte ist unser Forschungszentrum noch zu jung, aber auch das sicherlich gewünscht und unser Ziel“, sagt Bange.

von Tim Gabel

Drei Fragen an...

... die Professoren Anke Becker, Torsten Waldminghaus und Dr. Gert Bange vom Loewe-Zentrum für Synthetische Mikrobiologie der Uni Marburg.
OP: Frau Becker, was ist Synthetische Mikrobiologie?

Anke Becker: Die Synthetische Mikrobiologie überträgt die Herangehensweise der Ingenieurwissenschaften auf biologische Systeme. Man strebt also an, Mikroorganismen in ihre Funktionseinheiten zu zerlegen und ihre Schaltkreise zu verstehen. Gelingt einem das, sollte man auch einzelne Module austauschen können, genau wie man bei einem Computer eine bessere Grafikkarte oder mehr Speicher einbaut.

OP: Herr Bange, wenn Sie den passenden Schaltkreis finden, um ein Medikament herzustellen, wer verkauft das dann?

Gert Bange: Das ist kompliziert. Heute ist es eher so, dass die großen Pharmafirmen warten, bis das Produkt einer Arbeitsgruppe oder einer kleinen ausgegründeten Biotech-Firma die ersten Tierversuche und klinischen Phasen durchlaufen hat. Wenn es dann noch viel versprechend ist, wird gleich die ganze Firma gekauft.
Unser primäres Ziel am noch jungen Synmikro ist es aber, zunächst die Mechanismen in der Zelle zu verstehen.
Kurzfristig sind eher Kooperationen mit Unternehmen vielversprechend, die Teile unserer Forschung nutzen.

OP: Herr Waldminghaus, Sie arbeiten auch in der Gruppe Bioethik am Synmikro. Was wird dort diskutiert?

Torsten Waldminghaus: Mit dem Ziel, künstliches Leben herzustellen, berührt die Synthetische Biologie traditionelle und kulturell tief verankerte Grenzen von Belebtem und Unbelebtem, Künstlichem und Natürlichem.
Die Herstellung synthetischer Organismen, die in der Natur nicht vorkommen, wird dabei natürlichen Organismen, die sich im Laufe der Evolution entwickelt haben, gegen­übergestellt.
In der Arbeitsgruppe Bioethik diskutieren wir, in wie weit man in die Natur eingreifen darf und welche Forschungsfragen und -projekte im Hinblick auf technische und soziale Risiken sinnvoll und vertretbar sind.

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