Leuchtende Werkzeuge

Ein Maus erstrahlt unter der UV-Lampe in einem gespenstischen Glibbergrün. Forscher haben das GFP-Gen in befruchtete Eizellen eingeschleust. Dadurch gelangt es in alle ausgereiften Körperzellen und wird an die nächste Mausgeneration weitervererbt. Bild vergrößern
Ein Maus erstrahlt unter der UV-Lampe in einem gespenstischen Glibbergrün. Forscher haben das GFP-Gen in befruchtete Eizellen eingeschleust. Dadurch gelangt es in alle ausgereiften Körperzellen und wird an die nächste Mausgeneration weitervererbt.

In vielen Korallenriffen kennen Taucher ein eigentümliches Phänomen: Im Stockdunkeln leuchten Korallen und andere Meerestiere im Schein spezieller UV-Lampen zurück. Man bezeichnet das als „Fluoreszenz“. Die Korallen fluoreszieren zwar auch am Tag, weil das Sonnenlicht ebenfalls UV-Anteile enthält; dieser Effekt ist aber zu schwach für das menschliche Auge. Warum die Riffbewohner überhaupt fluoreszieren, darüber rätseln die Wissenschaftler noch. Eine Vermutung lautet: Die Korallen wandeln die schädliche UV-Strahlung in unschädliches Licht um, eine Art Sonnenschutzfaktor. Die Fluoreszenz könnte also vor Lichtstress schützen. Doch Beweise dafür gibt es trotz aufwändiger Laborexperimente bisher nicht.

Völlig unabhängig von diesem ungelöstem Rätsel haben Wissenschaftler jedoch bereits begonnen, die Fluoreszenz für die biologische und medizinische Forschung zu nutzen. Die lichtemittierenden Proteine, die diese Fluoreszenz hervorrufen, genießen seit einigen Jahren die besondere Aufmerksamkeit der Molekularbiologen. Denn sie eignen sich hervorragend als Marker. Eine Vorreiterrolle spielt dabei das grün fluoreszierende Protein (green fluorescent protein, GFP) der im Pazifik vorkommenden leuchtenden Qualle Aequorea victoria.

Das Lumineszenz-System dieser Nesseltiere ist deshalb so nützlich, weil darin die Aufnahme des chemischen Signals und die Abgabe des grünen Lichts voneinander getrennt sind: Den ersten Schritt bewerkstelligt ein Protein namens Aequorin, das auf ein durch Kalzium-Ionen übertragenes Signal hin blaues Licht aussendet. Diese Strahlung wird dann von einem zweiten Protein absorbiert und im grünen Spektralbereich zurück emittiert. Das grün fluoreszierende Protein benötigt dafür keinerlei zusätzliche Energiequelle oder sonstige Hilfsstoffe. Es funktioniert deshalb auch außerhalb der Qualle – sogar dann, wenn es auf gentechnischem Wege in andere Zellen (beispielsweise in befruchtete Maus-Eizellen) eingebaut wurde und nie eine Aequorea victoria von innen gesehen hat.

Die Klonierung und Sequenzierung des dazu gehörigen Gens gelang Mitte der 1990er-Jahre – und damit ergab sich nun eine interessante Anwendungsmöglichkeit: Durch genetische Rekombination lassen sich Zelllinien erzeugen, die ohne weiteres Zutun, ihre eigene sichtbare Markierung herstellen und damit ihre zellinterne Arbeitsweise in leuchtenden Fluoreszenzfarben zu erkennen geben. Eine der einfachsten Anwendungen von GFP ist die als Reportermolekül zur Überwachung der Genexpression. Die GFP kodierende DNA-Sequenz steht dabei unter der Kontrolle des Promotors (Sequenzabschnitt, der quasi den Startpunkt für die RNA-Polymerase markiert) des interessierenden Gens und wird zusammen mit diesem abgelesen. Man kann die GFP-Sequenz aber auch vor oder hinter die Gensequenz eines anderen Proteins stellen. Dabei entsteht ein so genanntes Fusionsprotein, das sich in vielen Fällen wie das Originalprotein verhält – seine Aktivitäten können aufgrund der „erworbenen Leuchtkraft“ in der lebenden Zelle unter einem Fluoreszenzmikroskop verfolgt werden.

Die ursprünglichen DNA-Sequenz des grün fluoreszierenden Proteins wurde mittlerweile gezielt verändert, um eine für ein weites Spektrum an Organismen, von Tieren über Pflanzen bis hin zu Pilzen und Mikroben, brauchbare Fluoreszenz zu schaffen. Sogar in Säugetieren, wie beispielsweise Mäusen, konnte das GFP erfolgreich exprimiert werden.

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