Wenn Träume wahr werden

Weiße Sandstrände oder schnelle Autos? Für Molekularbiologen gehört das nicht zu den wirklichen Traumzielen. Für sie war ein langgehegter Wunsch, mehrere Gene in einer Zelle gleichzeitig verändern zu können, ohne schädliche Spuren zu hinterlassen. Wissenschaftler der ETH Zürich scheinen genau das nun erreicht zu haben.

CRISPR/Cas wurde im Jahr 2012 erstmals von der Arbeitsgruppe um Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna beschrieben. Drei Jahre später erklärte die Fachzeitschrift „Science“ die CRISPR-Methode zum „Durchbruch des Jahres 2015“, denn mit CRISPR/Cas lässt sich DNA gezielt schneiden und verändern – das war zuvor nicht so einfach möglich gewesen. Die CRISPR/Cas-Methode wird daher auch gerne als Präzisionsgenschere bezeichnet.

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Weltweit gefeiert und angewendet

CRISPR/Cas stieß schnell weltweit auf Begeisterung. Denn die Methode ist günstig und konnte von vielen Laboren angewendet werden. Zahlreiche Forscher widmeten sich dann auch gleich der Weiterentwicklung der Genschere. Wenige Jahre später war die Methode bereits so ausgreift, dass Wissenschaftler mit ihr auch die Aktivität einzelner Gene gezielt erhöhen oder reduzieren konnten. CRISPR/Cas basierte Methoden haben sich innerhalb kürzester Zeit sowohl in der biologischen Grundlagenforschung als auch in angewandten Bereichen wie der Pflanzenzüchtung nahezu weltweit durchgesetzt.

Anzahl der modifizierbaren Gene bisher stark begrenzt

Bisher war die Anzahl der veränderbaren Gene allerdings stark limitiert. Gewöhnlich konnte nur ein Gen pro Eingriff modifiziert werden, in seltenen Fällen zwei bis drei gleichzeitig. In einem einzelnen Experiment sogar sieben auf einen Streich. Das Team um Randall Platt von der ETH Zürich in Basel hat es nun geschafft, die Methode zu skalieren. In Experimenten an menschlichen Zellen demonstrierten die Forscher, wie sich 25 Stellen im Genom einer Zelle simultan modifizieren lassen. Diese Zahl lasse sich noch weiter steigern, auf Dutzende bis sogar Hunderte von Genen, sagt Platt. Die Methode habe ein riesiges Potenzial für die biomedizinische Forschung und die Biotechnologie. „Dank diesem neuen Werkzeug können wir und andere Wissenschaftler nun umsetzen, wovon wir früher nur träumten.“

So funktioniert die neuen CRISPR/Cas-Variante

Grundsätzlich sind für die CRISPR/Cas-Methode zwei Dinge notwendig: ein Enzym namens Cas und ein kleines RNA-Molekül. Das RNA-Molekül ist das Steuerelement, das das Enzym genau an die Stelle im Genom bringt, wo es arbeiten soll. Dazu lässt sich das RNA-Molekül passgenau mit den entsprechenden Basen programmieren.

Die ETH-Wissenschaftler nutzen nun nicht mehr das fertige Cas-Protein und die RNA, sondern versorgen die Zelle mit den Bauplänen für diese Elemente. Dazu haben sie ein Plasmid hergestellt, dessen DNA sowohl für das Cas-Protein, als auch für gleich 25 unterschiedliche RNA-Stücke kodiert.

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Das Verfahren beruht also darauf, der Genschere Cas mit den verschiedenen im Plasmid codierten RNA-Molekülen quasi eine lange Gen-Adressliste mitzugeben, wo sie das Erbgut verändern soll. Die Zelle baut auf Grundlage dieses Plans das passende Protein, sowie die Gen-adressierenden RNA-Abschnitte. In ihren Experimenten führten die Forschenden dieses Plasmid in menschliche Zellen ein und zeigten damit, dass sich so gleich mehrere Gene verändern und regulieren lassen.

Cas12a geeigneter als Cas9

Um eine Vielzahl von Genen gleichzeitig verändern zu können, optimierten die Forscher allerdings noch mehr: Anstatt des bisher verwendeten Cas9-Enzyms nutzen sie das verwandte Enzym Cas12a. Beide sind in der Lage, Gene zu verändern. Cas12a kann jedoch zusätzlich lange RNA-Stücke zuschneiden und kommt mit kürzeren RNA-Abschnitten aus als Cas9. Das hat einen entscheidenden Vorteil: „Je kürzer diese adressierenden Sequenzen sind, desto mehr davon kann man auf ein Plasmid packen“, so Platt. In der Natur regelt Cas12a den Schutz vor Bakteriophagen und anderen genetischen Elementen.

Die neue CRISPR/Cas-Methode wird nicht nur die Grundlagenforschung und medizinische Ansätze vereinfachen, sondern kann auch die Pflanzenzüchtung enorm beschleunigen. Dies erscheint besonders wichtig im Zusammenhang mit dem globalen Klimawandel und anderen aktuellen Herausforderungen für die Landwirtschaft.