Zellforschers Lieblinge

Die begehrtesten Modellorganismen im molekularbiologischen Labor. von Ilka Lehnen-Beyel (Text) und Friederike Groß (Illustrationen) Gleich am Anfang vom Ende unserer Artikelserie wollen wir Ihnen ein gut gehütetes Geheimnis verraten: Zellbiologen sind in ihrem tiefsten Inneren sehr konservativ. Sie hassen Veränderungen – zumindest, wenn es um ihre Modellorganismen geht. Seit Jahr und Tag – im Fall der Taufliege Drosophila melanogaster sogar seit fast 100 Jahren – setzen sie auf die gleichen Einzeller, Tiere und Pflanzen, um die Rätsel des Lebens zu ergründen. Wehe, man wagt es, ein anderes Modell auszuwählen, etwa weil dessen Stoffwechsel besser für eine anstehende Untersuchung geeignet wäre: Dann muss man diese Ungeheuerlichkeit so lange erklären und begründen, dass man am Ende genervt doch wieder zu einem der Standardmodelle zurückkehrt. Dabei wurden die Modellorganismen meist schlicht nach Bequemlichkeit ausgesucht: Sie sind klein, leicht im Labor zu halten und recht fix mit der Fortpflanzung. Hier sind sie also, die Top 6 der Zellbiologie: Ohne Titel Escherichia coli Das stäbchenförmige Bakterium ist wohl der am meisten verbreitete Organismus in den Laboren dieser Welt – und auch der am einfachsten gebaute: Sein Genom umfasst nur 4,6 Millionen Basenpaare, das ist nicht einmal ein Siebenhundertstel der Zahl beim Menschen. Das ursprüngliche Habitat des meist nur kurz E. coli genannten Bakteriums ist der Darm von Mensch und Tier. E. coli muss im Labor immer dann ran, wenn es DNA zu vervielfältigen oder Proteine in großen Mengen herzustellen gilt. Dabei hilft, dass sich die Einzeller unter Laborbedingungen etwa alle 20 Minuten teilen. Doch sie sind nicht nur Werkzeug, sondern auch Forschungsgegenstand: An ihnen sind grundlegende genetische Mechanismen wie die Verdoppelung der DNA oder der Weg vom Erbgut zum Protein erstmals beobachtet worden. Saccharomyces cerevisiae Klingt zwar beeindruckend, ist aber nur ein hochgestochener Name für die ganz normale Bäcker- oder Bierhefe. Man kann sie ähnlich leicht züchten wie E. coli, denn sie teilt sich etwa alle 90 Minuten. Im direkten Vergleich mit den Bakterien punktet sie mit inneren Werten: S. cerevisiae ist ein Pilz und damit genauso wie menschliche Zellen ein Eukaryot (siehe „Basiswissen Zelle”, Folge 1). Da sie zudem einen einsiedlerischen einzelligen Lebensstil pflegt, ist sie das optimale Modell einer höheren Zelle: Es ist alles drin, was reingehört, aber nicht mehr. Und ihr für eine eukaryotische Zelle sehr kleines Genom von 13,1 Millionen Basenpaaren macht vieles leichter. Da wundert es nicht, dass an Hefen vor allem komplizierte Dinge wie die Gen-Regulation und der Zellzyklus entdeckt wurden. Die kleinen Pilze sind außerdem ein beliebtes Modell für Alterungsprozesse. Übrigens: Genetisch sind Hefe und Mensch zu etwa 30 Prozent identisch. Caenorhabditis elegans Der erste vielzellige Organismus in den Top 6 der Modellorganismen ist ein Fadenwurm mit einem unaussprechlichen Namen, meist als C. elegans abgekürzt. Er selbst ist recht unauffällig – buchstäblich, denn er ist nur etwa einen Millimeter lang. Was das Würmchen so attraktiv macht, sind zwei sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Erstens: Es überlebt auch eisige Zeiten – man kann es problemlos beliebig lange einfrieren und wieder auftauen. Zweitens: Sein Körper besteht immer aus exakt 959 Zellen. Da liegt es nahe, dass an C. elegans viele entwicklungs- und zellbiologische Vorgänge entdeckt wurden, zum Beispiel der programmierte Zelltod, der hilft, die Zellzahl im Körper konstant zu halten. C. elegans lebt im Labor auf Agarplatten, vermehrt sich alle paar Tage, frisst Bakterien und besitzt 97 Millionen Basenpaare in seinem Erbgut. Arabidopsis thaliana Sie repräsentiert das Königreich der Pflanzen, ist aber keine besonders würdevolle Vertreterin – sondern vielmehr ein Unkraut. Der deutsche Name ist „Ackerschmalwand”, er wird aber praktisch nie benutzt. Das Kräutlein wächst auch im Labor fleißig in sechs bis acht Wochen heran und ist nicht sehr empfindlich. Fremde Gene lassen sich zudem leicht per bakteriellem Shuttle-System einschleusen (siehe „Basiswissen Zelle”, Folge 8). Die Genomgröße von Arabidopsis thaliana liegt bei 125 Millionen Basenpaaren. Drosophila melanogaster Da fallen einem fast nur Superlative ein: Lieblingshaustier der klassischen wie der molekularen Genetik und der Entwicklungsbiologie, Veteran unter den Modellorganismen und wohl das Lebewesen, das wissenschaftlich am besten untersucht ist. Insgesamt fünf Nobelpreise gingen bisher an Drosophila-Forscher. Der kleinen Fliege haben wir beispielsweise das Wissen zu verdanken, dass Gene auf Chromosomen liegen und dass sich Veränderungen von Genen auf das Erscheinungsbild auswirken. Einigen Genen hat das äußerst kuriose Namen eingebracht, denn Drosophila-Forscher neigen dazu, ein Gen nach der Erscheinungsform der Tiere zu benennen, bei denen dieses Gen mutiert ist. So gibt es beispielsweise die Gene „Dachshund”, „ Lava Lampe” und „Kaktus”. Drosophila fühlt sich in der heimischen Obstschale genauso wohl wie im Labor auf Bananenbrei. Ihr offizieller Name lautet übrigens Taufliege und nicht Fruchtfliege. Ihr Genom enthält knapp 170 Millionen Basenpaare, denen eine ganze Datenbank gewidmet ist: die FlyBase. Mus musculus Und nicht zuletzt im Ranking der beliebtesten Modellorganismen: die Hausmaus, die stellvertretend für alle Säugetiere steht – und damit auch für den Menschen. Denn beim Bauplan der Säugetiere hat die Natur keine großen Experimente angestellt: Sie spielt zwar mit Größe und Proportionen, der grundlegende Aufbau ist aber praktisch gleich. Dass die Wahl der Wissenschaftler auf Mäuse gefallen ist, liegt vor allem daran, dass diese klein sind, sehr schnell große Familien gründen – und praktisch überall vorkommen. Mittlerweile kennt man das gesamte etwa 2800 Millionen Basenpaare umfassende Genom von M. musculus. Und es gibt eine ganze Reihe gentechnisch veränderter Mauslinien, die sich besonders gut für die Untersuchung bestimmter Fragestellungen eignen – etwa, weil die Tiere sehr ängstlich sind oder zu bestimmten Krankheiten neigen. Allerdings kommen immer mehr Zweifel daran auf, dass sich Mäuse wirklich gut als Modell für den menschlichen Körper eignen. Entzündungen scheinen bei ihnen zum Beispiel völlig anders abzulaufen als bei uns. Für etliche Krankheiten könnte also gelten, was ein Alzheimerforscher einmal so formulierte: „Mäuse lügen!” Dennoch sollen ihre Verdienste hier nicht geschmälert werden: Ohne M. musculus hätte man vermutlich für viele Krankheiten noch immer keine wirksamen Medikamente.