Chemienobelpreis 1980: Paul Berg — Walter Gilbert — Frederick Sanger
Berg erhielt den Nobelpreis für »seine grundlegenden Untersuchungen zur Biochemie von Nucleinsäuren, vor allem für seine Untersuchungen zu rekombinanter DNS«, Gilbert und Sanger wurden für »ihre Beiträge zur Bestimmung von Basensequenzen in Nucleinsäuren« ausgezeichnet.
Biografien
Paul Berg, * New York 30. 6. 1926; 1952 Promotion an der Case Western Reserve University in Cleveland, seit 1959 Professor für Biochemie an der Stanford University in Palo Alto (Kalifornien), 1975 Präsident der American Society of Biological Chemists.
Walter Gilbert, * Boston (Massachusetts) 21. 3. 1932; 1957 Promotion an der University of Cambridge (England), seit 1968 Professor für Biochemie an der Harvard University in Cambridge (Massachusetts), zwischen 1981 und 1984 Hauptgeschäftsführer der schweizerischen biotechnologischen Firma Biogen.
Frederick Sanger, * Rendcomb (Gloucestershire, England) 13.8. 1918; 1943 Promotion an der University oft Cambridge (England), 1943-62 dort Forschungstätigkeit, 1958 erster Nobelpreis für Chemie, 1962-83 Leiter der Abteilung für Protein- und Nucleinsäurechemie am Laboratory of Molecular Biology des Medical Research Council in Cambridge.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Im Jahr 1972 publizierten Paul Berg und dessen Mitarbeiter Forschungsergebnisse, bei denen es um eine biochemische Methode ging, mittels der man im Reagenzglas eine neue genetische Information in die DNS (Desoxyribonucleinsäure; englisch abgekürzt DNA) des bei Affen krebserzeugenden Virus Simian Virus 40 (SV40) einfügen konnte. Den Autoren war es gelungen, ein DNS-Molekül herzustellen, das sowohl die DNS des SV40 als auch die DNS einer veränderten Form des Bakterien vernichtenden Phagen Lambda enthielt.
Rekombination von Genen
Wie war man vorgegangen, um diese Kreuzung zu erreichen? Im ersten Schritt durchtrennte man mithilfe einer »enzymatischen Schere«, einem Restriktionsenzym, die ringförmigen DNS-Moleküle des SV40 und des Phagen. Ein anderes Enzym diente hiernach dazu, an den Enden der jeweiligen Doppelstränge des SV40 sich wiederholende Sequenzen von Nucleotiden mit der Base Adenin (A) und beim Phagen Lambda Nucleotide mit der Base Thymin (T) anzufügen. Da diese beiden Basenarten eine Paarung eingehen, konnte man so ein Aneinanderkleben der DNS des SV40 und des Phagen erreichen. Die weiterhin notwendige Verkettung der Stränge über Phosphodiesterbrücken erfolgte mithilfe eines DNS-Polymerase-Enzyms. Durch Einwirkung eines Ligase-Enzyms konnte der zusammengesetzte Doppelstrang wieder zu einem ringförmigen DNS-Molekül geschlossen werden, die erste Rekombination von Genen aus unterschiedlichen Organismen war gelungen. Die gebildete rekombinante DNS konnte durch Einbringen in Bakterien, zum Beispiel in das auch beim Menschen im Darm vorkommende Bakterium Escherichia Coli, leicht vermehrt werden.
Der Erfolg Bergs löste bei den Molekulargenetikern nicht nur freudige Zustimmung aus, sondern führte auch zu Befürchtungen. Bestand nicht die Gefahr, dass es zur Verbreitung von Escherichia-Coli-Bakterien kommen könnte, die krebserzeugende Gene in sich trugen und dadurch die Menschheit gefährdeten? Von der im Jahr 1975 in Asilomar (Kalifornien) von Berg initiierten Konferenz gingen vonseiten führender Molekulargenetiker selbst wesentliche Impulse für später weltweit getroffene Sicherheitsrichtlinien aus, die bei der Anwendung risikobeladener gentechnischer Methoden und bei der Herstellung gentechnisch veränderter Organismen zu beachten sind.
Rekombinationstechniken haben seit den 1970er-Jahren die Entwicklung der Gentechnik stark beeinflusst. Durch die gezielte Veränderung ihres genetischen Materials kann man den Stoffwechsel von Mikroorganismen so verändern, dass gewünschte Produkte wie Antibiotika oder Hormone produziert beziehungsweise vermehrt werden. Beispielsweise gelang es, das Humaninsulingen in die DNS von Bakterien einzubauen und auf diesem Weg Insulin industriell zu produzieren.
Sequenzen, Sequenzen, Sequenzen. ..
Die exakte Bestimmung der Aufeinanderfolge (Sequenz) der Nucleotidbausteine in DNS und RNS ist von grundlegender Bedeutung für die Molekulargenetik und die Gentechnologie. Sie ermöglicht die genaue Aufklärung der Struktur von Genen und deren Zusammenhang mit der Proteinsynthese in den Zellen. Weiterhin können Gen-Mutationen und die von ihnen verursachten genetisch bedingten Krankheiten aufgedeckt werden.
Die Preisträger Walter Gilbert und Frederick Sanger wurden für die Entwicklung leistungsfähiger Methoden zur Bestimmung von Basensequenzen in Nucleinsäuren ausgezeichnet. Insbesondere die von Sanger und seinen Mitarbeitern entwickelte Didesoxy- oder Kettenabbruch-Methode erreichte einen hohen Anwendungsgrad. Mit ihr gelang Sanger 1977 die vollständige Aufklärung der Nucleotidsequenz des Genoms eines Organismus, im vorliegenden Fall des Phagens PhiX174. Dessen DNS ist einzelsträngig, ringförmig und besteht aus 5386 Desoxyribonucleotiden.
Bei der Bestimmung von DNS-Einzelstrang-Sequenzen nach der Kettenabbruch-Methode besteht der erste Schritt im Andocken eines Primers (siehe Nobelpreis 1993). Das erhaltene Reaktionsprodukt wird danach in vier Proben aufgeteilt, die entsprechend den vier Nucleotidbasen Thymin, Adenin, Guanin und Cytosin als T-, A-, G- und C-Proben bezeichnet werden. Am Beispiel der T-Probe sei das weitere prinzipielle Vorgehen demonstriert: Die Probe wird mit vier unterschiedlichen Desoxyribonucleosidtriphosphaten (DRNTP) versetzt, die jeweils eine der vier Nucleotidbasen enthalten. Eine dieser Verbindungen ist radioaktiv markiert. Weiterhin gibt man ein DNS-Polymerase-Enzym in das Reaktionsgemisch, das die komplementäre Kettenverlängerung des Primers durch die Reaktion mit den DRNTP katalysiert, und ein chemisch leicht modifiziertes DRNTP — ein so genanntes Didesoxyribonucleosidtriphosphat. Wenn diese Verbindung, die die Base T enthält, in die Primerkette eingebaut wird, tritt ein Kettenabbruch ein, da dieser modifizierte T-Baustein aufgrund seiner chemischen Struktur einen weiteren Kettenaufbau nicht mehr zulässt. Der statistisch erfolgte Einbau dieser Kettenabbruch-Verbindung erzeugt am Ende der Reaktionszeit eine Mischung von — bezogen auf die gewachsenen Primerstränge — unterschiedlich langen Ketten, die alle mit T enden. Analog geht man bei den anderen drei Proben vor, die nach dem Kettenabbruch mit G, A oder C enden. Die vier Proben werden nebeneinander gelelektrophoretisch unter denaturierenden Bedingungen (Auftrennung der gemischten Doppelstränge in Einzelstränge) fraktioniert. Die kürzeren Primerstrang-Ketten durchlaufen das Gel schneller und dringen deshalb weiter darin vor. Da alle Kettenfragmente in der T-Probe auf T enden, lässt sich aus der Lage dieser Fragmente im Gel die Position der T-Bausteine — und analog die der anderen Nucleotidbasen — in der Kette erkennen. Die Radioaktivität in den Fragmenten ermöglicht es, die Position der Kettenfragmente und damit der einzelnen Nucleotidbasen fotografisch sichtbar und die Basensequenz dieses komplementären Strangs auf einem Autoradiogramm ablesbar zu machen.
A. Neubauer