Wissenschaft + Forschung

Um Signalmoleküle zu beobachten, sind Methoden mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erforderlich. Als Bausteine für Sensoren eignen sich Kohlenstoffnanoröhren, die im nahen Infrarot fluoreszieren. Auf Gehirnzellen aufgebracht zeigen sie, wo und wann der Neurotransmitter Dopamin frei wird.Um biologische Systeme zu verstehen, ist es hilfreich, chemische Prozesse auf der Ebene einzelner Zellen und Zell-Netzwerke zu beobachten. Zu solchen Prozessen gehört der Informationsaustausch durch Signalmoleküle. Molekulare Sonden und Sensoren können diese mit der nötigen Auflösung direkt nachweisen. Dabei versprechen optische Auslesemethoden eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung.So ist es aufgrund ihrer Größe möglich, viele Sensoren pro Zelle nichtinvasiv einzusetzen. Besonders vorteilhaft sind einwandige Kohlenstoffnanoröhren (single wall carbon nanotubes, SWCNTs, <link href="#nadc20224129375-fig-0001">Abbildung 1), die durch ihre Fluoreszenz im nahen Infrarot (NIR) zwischen 800 nm und 1700 nm als Marker und Sensoren dienen.1)<figure xml:id="nadc20224129375-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/RvElm4rLRSMqGZfZgwJA"><figcaption><label>Abb.1: </label>Reine Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) suspendiert in Wasser (hier mit Tensiden) haben je nach Struktur und Chiralität (hier 6,5 und 7,6) unterschiedliche optische Eigenschaften. Im sichtbaren Bereich äußert sich dies in verschiedenen Farben.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Leuchtende Bausteine</h2>SWCNTs gehören zu den eindimensionalen Nanomaterialien und bestehen aus einer sp2-hybridisierten Monolage Kohlenstoff (Graphen). Man kann sie sich gerade oder in einem bestimmten Winkel aufgerollt vorstellen, was entweder zu halbleitenden, halbmetallischen oder metallischen SWCNTs führt (<link href="#nadc20224129375-fig-0002">Abbildung 2a, S. 66). Für optische Anwendungen sind vor allem die halbleitenden SWCNTs interessant, da sie aufgrund ihrer Bandlücke im NIR fluoreszieren. Bei optischer Anregung entsteht ein Elektron-Loch-Paar (Exziton), das entlang der SWCNT-Achse diffundiert und dabei kleinste Änderungen der chemischen Umgebungen wahrnimmt.23)<figure xml:id="nadc20224129375-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/zKXBVZqOSi82P7NYbvQF"><figcaption><label>Abb.2: </label>Struktur und optische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs): a) SWCNTs kann man sich als aufgerollte Graphenschicht vorstellen. Halbleitende SWCNTs haben eine Bandlücke und fluoreszieren. b) Deren Fluoreszenz überschneidet sich mit dem Fenster der Gewebetransparenz, sodass es wenig Licht absorbiert. Hier ist das Emissionsspektrum von SWCNTs mit (6,5)-Chiralität dargestellt, die Emissionswellenlängen für andere Chiralitäten umfassen den gesamten NIR-Bereich. c) Die fluoreszierenden SWCNTs werden beispielsweise mit einem (Bio-)Polymer dekoriert, und es bildet sich eine organische Phase (Korona) um die SWCNT-Oberfläche. Man kann diese Oberflächenchemie so designen, dass Zielmoleküle selektiv binden und die NIR-Fluoreszenz der SWCNTs verändern.1)</figcaption></figure></figure>Fluoreszenz im NIR bietet mehrere Vorteile für die Untersuchung biologischer Systeme: Viele Biomoleküle fluoreszieren selbst, was das Signal fluoreszenter Sensoren überlagern kann. Im NIR ist diese Autofluoreszenz reduziert. Auch Absorption und Streuung der Strahlung sind im NIR geringer als etwa im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichtes. Dies führt zu besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnissen. Für biologische Systeme ist außerdem relevant, dass im NIR die Strahlenschäden (Phototoxizität) geringer und SWCNTs mit der entsprechenden Oberflächenchemie biokompatibel sind.1)<h2 type="main">Modifizierung zu Sensoren</h2>Das ausgedehnte π-System der SWCNTs macht sie hydrophob, daher bilden sie in Wasser Aggregate. Dieses Problem löst die Funktionalisierung der SWCNTs, sodass einzelne SWCNTs kolloidal stabilisiert werden. Kovalente wie nichtkovalente Funktionalisierungsansätze spielen eine wesentliche Rolle bei der Anpassung der molekularen Wechselwirkungen nahe der SWCNT-Oberfläche. Funktionalisierte SWCNTs interagieren selektiv mit anderen Molekülen und zeigen dies durch Fluoreszenzänderung an (Abbildung 2c, S. 66).Es gibt zwei Strategien, selektive Sensoren auf SWCNT-Basis aufzubauen: Permutationen der organischen Korona (zum Beispiel aus DNA) um die SWCNTs oder die Konjugation bekannter Erkennungsmotive wie Antikörper.1) Wichtig ist dabei, dass ein Analyt nicht nur bindet, sondern dass sich durch das Binden die Fluoreszenz ändert. SWCNTs zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht bleichen und nicht blinken. Das Emissionssignal ist damit ein optischer Reporter für die Anwesenheit von Analyten.Gängige Färbemethoden wie die Immunfluoreszenz verwenden Fluorophore, die durch Bleichen, Autofluoreszenz und (Photo-)Toxizität in ihrer Anwendung eingeschränkt sind. Hier heben sich SWCNTs ab: Sie kombinieren optische Sensorik, Biokompatibilität und Photostabilität mit Emission im NIR. Damit lassen sich beispielsweise chemische Signalwege kartieren und die Freisetzung von Signalmolekülen räumlich und zeitlich auflösen. Dies erlaubt Einblicke in grundlegende biologische Fragen.<h2 type="main">Dopaminsensoren</h2>Spezialisierte Strukturen im Gehirn, die Axon-Varikositäten, setzen Dopamin frei, ein Signalmolekül für Nervenzellen.4) Als Botenstoff steuert es unter anderem das Belohnungszentrum des Gehirns und ist an der Lernkontrolle beteiligt. Fehler bei der Signalübertragung durch Dopamin sind Ursache mehrerer neurologischer Erkrankungen, zum Beispiel Parkinson. Auch der Konsum von Drogen wie Kokain verändert die Signalübertragung durch Dopamin, das somit bei der Entstehung von Suchterkrankungen eine Rolle spielt.Um die Dopaminbiologie und -pathobiologie zu verstehen, ist es unerlässlich, die Freisetzungsmechanismen dieses Botenstoffs zu untersuchen. Mit den Dopaminnachweisverfahren, die bisher zur Verfügung standen, waren solche Untersuchungen jedoch eingeschränkt.5) Es gab keine Möglichkeit, Dopamin parallel mit einer räumlichen Auflösung unterhalb des Mikrometerbereichs und einer zeitlichen Auflösung von weniger als 100 ms nachzuweisen.Die Funktionalisierung von SWCNTs mit einzelsträngigen DNA-Sequenzen (ssDNA) wie (GT)10 macht sie selektiv für kleine Moleküle wie Dopamin (<link href="#nadc20224129375-fig-0003">Abbildung 3).6) Damit lässt sich die Freisetzung von Dopamin aus Zellen erfassen. Der Mechanismus ist durch eine Interaktion der Catecholeinheit des Dopamins mit den Phosphatgruppen der DNA und einer Konformationsänderung erklärbar (Abbildung 3b).7,8)<figure xml:id="nadc20224129375-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Mo53OgVbTEO8YSaDnbGh"><figcaption><label>Abb.3: </label>Dopamindetektion mit SWCNT-basierten Sensoren: a) Emissionsspektrum von ssDNA-funktionalisierten SWCNTs mit (6,5)-Chiralität. Ist Dopamin vorhanden, erhöht sich die NIR-Fluoreszenz der SWCNTs.9) b) Vorschlag für den Erkennungsmechanismus: Dopamin zieht Phosphatgruppen an die SWCNT-Oberfläche, was das Quenching reduziert und die SWCNT-Fluoreszenz erhöht (Molekulardynamik-Simulation).7)</figcaption></figure></figure>Dopamin erhöht die Fluoreszenz einzelner mit Nukleinsäure umhüllter SWCNTs um bis zu 400 Prozent (Abbildung 3a).10) Die Fluoreszenzantwort hängt dabei von der verwendeten DNA-Sequenz ab. Außerdem ist der Dopaminnachweis reversibel, hat eine Nachweisgrenze im nM-Bereich und eine zeitliche Auflösung im ms-Bereich.<h2 type="main">Ein Sternenhimmel an Signalen</h2>Mit den Nanosensoren aus funktionalisierten SWCNTs ist erstmals in primären neuronalen Zellen eine direkte Bildgebung von Dopamin gelungen, deren räumliche Auflösung nur durch das Auflösungslimit beschränkt ist und deren zeitliche Auflösung Millisekunden beträgt (<link href="#nadc20224129375-fig-0004">Abbildung 4).11) Dazu wurden die Zellen mit einer dünnen Schicht aus SWCNT-Sensoren beschichtet. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass die Zellen ganz normal kultiviert werden und wachsen können. Erst unmittelbar vor dem Experiment werden die Sensoren wie Farbe appliziert.<figure xml:id="nadc20224129375-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/K0K3kIphRyOQHFSyFuhb"><figcaption><label>Abb.4: </label>Dopamin-Bildgebung mit SWCNT-basierten Sensoren. a) Die Sensoren können als Beschichtung (Paint) von Zellen eingesetzt werden und zeigen die Zielmoleküle an. Kultivierte dopaminerge Neuronen werden mit einer dünnen Schicht aus SWCNT-Sensoren beschichtet. Durch Stimulation der Neuronen wird Dopamin frei, wodurch sich die Fluoreszenz der Sensoren erhöht. Durch die Sensoren lässt sich erfassen, wo und wann Dopamin frei wird und wohin es difffundiert. b) Die Freisetzung von Dopamin aus Neuronen (links) ist über die Fluoreszenz der Nanosensoren (rechts) messbar.11)</figcaption></figure></figure>Da die Bilder mit diesen Sensoren Bilder wie ein Sternenhimmel erzeugen, nennen wir die Methode AndromeDA. Zum ersten Mal wurden damit einzelne Dopamin-Freisetzungsereignisse entlang der neuronalen Strukturen sichtbar, dies lieferte Einblicke in deren Mechanismen. So setzt nur etwa ein Fünftel der Varikositäten Dopamin frei.Hier zeigt sich der Vorteil optischer Methoden, die eine Menge räumlicher Informationen liefern. Neurobiologen können so in Zukunft die Plastizität chemischer Informationsübertragung im Gehirn besser untersuchen und verstehen.<h2 type="main">Biomedizin und Umwelt</h2>Diese Art molekularer Sensoren ist nicht nur für die funktionale Bildgebung in der Grundlagenforschung von Interesse. So sind bisher zeitaufwendige Kultivierung oder Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)-Nachweisverfahren erforderlich, um Bakterien nachzuweisen.12) Zusätzlich zur Detektion sind die Bakterien zu trennen, zu identifizieren und zu zählen. Dagegen kann ein Array aus funktionalisierten SWCNTs molekulare Ziele ohne Probenaufbereitung detektieren.13) Dementsprechend kann das von den Sensoren emittierte Licht bestimmte Krankheitserreger anzeigen. Solche Sensoren könnten sich etwa für den nichtinvasiven Nachweis von Bakterien bei Implantatinfektionen eignen.Auch in der Umweltüberwachung können SWCNT-basierte Sensoren Informationen liefern. Bei Abwehrreaktionen gegen Pathogene schütten Pflanzen Polyphenole aus, um sich zu verteidigen. Oberflächenmodifikation mit Polyethylenglycol-Phospholipiden macht SWCNTs sensitiv gegenüber Polyphenolen, wobei sich die Fluoreszenzwellenlänge der Nanoröhren verschiebt.14) Mit solchen Sensoren lassen sich die Abwehrreaktionen der Pflanzen direkt im Pflanzengewebe detektieren. Dies zeigt die Interaktionen mit Pflanzenpathogenen und kann zu Züchtungen stressresistenter Nutzpflanzen führen.Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial fluoreszenter Nanomaterialien und SWCNTs für die Analytik und funktionale chemische Bildgebung biologischer Systeme.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag haben Björn Hill, Jennifer Mohr und Sebastian Kruss (Foto) verfasst. Der Physiker Hill promoviert an der Universität Bochum über die Photophysik fluoreszierender Nanomaterialien. Die Biochemikerin Mohr ist ebenfalls Doktorandin in Bochum und erforscht die Detektion chemischer und struktureller Plastizität von Immunzellen mit Nanosensoren. Kruss hat in Heidelberg in biophysikalischer Chemie promoviert und ist nach Stationen am Massachusetts Institute of Technology in den USA und in Göttingen seit dem Jahr 2020 Professor für physikalische Chemie an der Universität Bochum. Foto Kruss: RUB<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/U5IT8OXR1qgzHguGK5xw"><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/B4xrjfY9RrittkMMCAk9"><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Fluoreszenz im nahen Infrarot (NIR) von Kohlenstoffnanoröhren eignet sich für die Bildgebung in biologischen Systemen.Die Spezifität solcher Materialien als Sensoren für Zielmoleküle lässt sich chemisch maßschneidern.Erstmals ließ sich mit Sensoren aus modifizierten Kohlenstoffnanoröhren die Abgabe von Dopamin aus einzelnen Nervenzellen direkt beobachten.<ul class="references" xml:id="nadc20224129375-bibl-0001" style="numbered" cited="no"><li xml:id="nadc20224129375-bib-0001">1 J. Ackermann, J. T. Metternich, S. Herbertz, S. Kruss, Angew. Chemie Int. Ed. 2022, 61, e202112372</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0002">2 L. Cognet, D. A. Tsyboulski, J. D. R. Rocha, Science 2007, 16, 1465</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0003">3 T. Hertel, S. Himmelein, T. Ackermann, D. Stich, J. C. K, ACS Nano 2010, 4, 7161</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0004">4 R. A. Wise, M. A. Robble, Annu. Rev. Psychol. 2020, 71, 79</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0005">5 D. L. Robinson, A. Hermans, A. T. Seipel, R. M. Wightman, Chem. Rev. 2008, 108, 2554</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0006">6 M. Dinarvand, S. Elizarova, J. Daniel, S. Kruss, Chempluschem 2020, 85, 1465</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0007">7 S. Kruss, D. P. Salem, L. Vukovic et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017 114, 1789</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0008">8 E. Polo, S. Kruss, J. Phys. Chem. 2016, C 120, 3061</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0009">9 R. Nißler, L. Kurth, H. Li et al.. Anal. Chem. 2021, 93, 6446</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0010">10 S. Kruss, M. P. Landry, E. Vander Ende et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 713</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0011">11 S. Elizarova, A. A. Chouaib, B. Hill et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2022, 119, e2202842119</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0012">12 S. M. Shamah, J. M. Healy, S. T. Cload, Acc. Chem. Res. 2008, 41, 130</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0013">13 R. Nißler, O. Bader, M. Dohmen et al., Nat. Commun. 2020, 11, 5995</li><li xml:id="nadc20224129375-bib-0014">14 R. Nißler, A. Müller, F. Dohrmann et al., Angew. Chemie Int. Ed. 2022, 61, e202108373</li></ul>

Bioanalytik

Mit Nanoröhren Botenstoffe detektieren

Um Signalmoleküle zu beobachten, sind Methoden mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erforderlich. Als Bausteine für Sensoren eignen sich Kohlenstoffnanoröhren, die im nahen Infrarot fluoreszieren. Auf Gehirnzellen aufgebracht zeigen sie, wo und wann der Neurotransmitter Dopamin frei wird...

Der Medizin-Nobelpreis f&uuml;r Genomforschung an unseren vor 30 000 Jahren ausgestorbenen Verwandten mag auf den ersten Blick ironisch erscheinen. Aber er hebt hervor, dass diese anfangs exzentrisch anmutende Forschung inzwischen f&uuml;r die Medizin der heutigen Menschen n&uuml;tzlich ist.
Das menschliche Genom wurde mit Milliardenaufwand sequenziert und mit viel Fanfare im Jahr 2000 im ersten Entwurf und drei Jahre sp&auml;ter in einer (immer noch l&uuml;ckenhaften) Standardversion ver&ouml;ffentlicht. Die darauf folgende Entwicklung &uuml;berlegener Verfahren, die den Preis pro DNA-Baustein minimierte und die Sequenzierung Tausender menschlicher und anderer Genome erm&ouml;glichten, gab dem Genpionier George Church recht. Dieser hatte das Humangenomprojekt verlassen, da er zuerst in die Entwicklung besserer Verfahren investieren wollte. Die klassische Methode, die Frederick Sanger f&uuml;r einzelne Gene entwickelt hatte, war f&uuml;r Projekte von der Gr&ouml;&szlig;e eines menschlichen Genoms ungeeignet.
Die fundamental anders konzipierten Methoden der zweiten und dritten Generation (etwa der Unternehmen Illumina beziehungsweise Nanopore) haben uns seither viele Genome von Menschen, Tieren und Pflanzen beschert. Das Earth Biogenome Project will bis zum Jahr 2028 alle bekannten Eukaryonten sequenziert haben &ndash; das sind rund 1,7 Millionen Arten.
<h2 type="main">&Uuml;berraschung Neandertalergenom</h2>
Am &uuml;berraschendsten war die relativ rasche Entschl&uuml;sselung des Erbguts eines ausgestorbenen Urmenschen, des Neandertalers (Foto). Konnte das Humangenomprojekt im Prinzip auf unbegrenzte Verf&uuml;gbarkeit menschlicher DNA bauen, so standen dem diesj&auml;hrigen Nobelpreistr&auml;ger Svante P&auml;&auml;bo in den 1990er Jahren in M&uuml;nchen und dann ab 1999 am MPI f&uuml;r Evolution&auml;re Anthropologie (EVA) in Leipzig bei der Erforschung der Neandertaler nur Mikrogramm urzeitlicher DNA zur Verf&uuml;gung.
<figure xml:id="nadc20224132747-fig-0001">
<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/CzvPTpQNQAuhgC8mfVSw" />
<figcaption><label>Abb.1: </label>Lebend-Rekonstruktion im Neanderthal-Museum (Erkrath, Mettmann) eines Homo sapiens neanderthalensis &bdquo;Mr. N&ldquo; (Ausschnitt des Originalfotos). Das Neandertal ist ein weitgehend unbebauter Talabschnitt der D&uuml;ssel auf dem Gebiet der St&auml;dte Erkrath und Mettmann, rund zehn Kilometer &ouml;stlich von D&uuml;sseldorf. Pressebilder Neanderthal Museum, Mettmann</figcaption>
</figure>
</figure>
&Uuml;berdies war die Neandertaler-DNA in viele kurze Fragmente zertr&uuml;mmert und au&szlig;erdem mit Fremd-DNA etwa von Bodenbakterien verunreinigt. Die Herausforderung war also, die richtigen Fragmente zu identifizieren und diese wie ein Puzzle zum Gesamtbild zusammenzuf&uuml;gen. Der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter hatte mit seinem Unternehmen Celera Corporation &ndash; im Wettlauf gegen das Humangenomprojekt &ndash; bereits ein menschliches Genom mit Shotgun-Sequencing gel&ouml;st, das mit Zufallsfragmenten arbeitet.
Als Konzeptbeweis publizierte P&auml;&auml;bo im Jahr 2006 die vorl&auml;ufigen Ergebnisse, nachdem eine Million Basen sequenziert waren.1) Wie sich aber zeigte, war die Verunreinigung mit moderner DNA schlimmer als vermutet. P&auml;&auml;bos Arbeitsgruppe musste spezifische Markierungsmethoden entwickeln, um auszuschlie&szlig;en, dass Neandertal-DNA aus den urzeitlichen Proben mit moderner menschlicher DNA etwa von Mitarbeiter:innen im Labor verwechselt wurde.
Ein verr&uuml;ckter Aufwand, aber dank der neuen Sequenziermethoden machbar. Und im Jahr 2010 publizierte P&auml;&auml;bo einen Entwurf des Neandertalergesamtgenoms &ndash; nur ein Jahrzehnt nach dem Genom des modernen Menschen. Wie das urzeitliche Erbgut zeigte, trennte sich unsere Abstammungslinie von der des Neandertalers vor etwa 800 000 Jahren.
<h2 type="main">Pal&auml;ogenomik</h2>
Die in diesem Projekt entwickelte Methodik der Sequenzierung urzeitlicher Genome f&uuml;hrte zu einem bl&uuml;henden neuen Forschungsgebiet (Pal&auml;ogenomik). Dieses bev&ouml;lkerten schon bald ehemalige Mitarbeiter:innen P&auml;&auml;bos, etwa Johannes Krause am Max-Planck-Institut f&uuml;r Menschheitsgeschichte in Jena. Urzeitliche DNA erhellt die Migrationsbewegungen der Menschheit etwa in der V&ouml;lkerwanderung oder bei der ersten Besiedlung Amerikas. Sie verr&auml;t uns, wann und wo die Vorfahren unserer heutigen Nutztiere domestiziert wurden &ndash; so gab es etwa vor kurzem neue Familienstammb&auml;ume f&uuml;r Pferde und Esel.2.3)
P&auml;&auml;bo selbst entdeckte zuf&auml;llig in einer Probe aus der Denisova-H&ouml;hle in Sibirien eine neue Unterart des Menschen, den Denisovaner. Dieser zun&auml;chst nur anhand seiner DNA identifizierte Urmensch war ein Zeitgenosse von Neandertaler und Cromagnon, dem anatomisch modernen europ&auml;ischen Steinzeitmenschen. Der war vor rund 70 000 Jahren aus Afrika nach Asien und Europa gekommen. Weiteren Untersuchungen zufolge vermischten sich alle drei Gruppen. Deshalb finden sich heute noch DNA-Spuren von beiden in modernen Genomen. Alle Menschen nichtafrikanischer Abstammung tragen bis zu vier Prozent Neandertalergenom in sich. Viele Menschen in S&uuml;dostasien weisen dar&uuml;ber hinaus bis zu sechs Prozent Erbteil der Denisovaner auf.4)
P&auml;&auml;bo wandte sich dann den gro&szlig;en Fragen zu, die seine Forschung aufwarf, etwa: Was sagt uns all das &uuml;ber uns selbst, die menschliche Identit&auml;t? Was macht uns zum Menschen? Und was bedeutet es f&uuml;r unsere Gesundheit? Inzwischen kennen P&auml;&auml;bo und andere Expert:innen die Geografie der Genome von Denisovanern und Neandertalern so gut, dass sie diesen zahlreiche medizinisch relevante Eigenschaften zuordnen k&ouml;nnen.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/g8RN8XZkTJipcpXJw8Il" />
<figcaption><label>Abb.2: </label>Weltweiter Fortschritt: Vollst&auml;ndig sequenzierte Genome &uuml;ber alle eukaryotischen taxonomischen Stufen. Grafik: Proc. Nat. Acad. Sci. 2022, 119(4), e2115635118</figcaption>
</figure>
</figure>
<h2 type="main">Medizinische Einblicke</h2>
So geht zum Beispiel die Genvariante von EPAS1, die heutigen Menschen in Tibet das Leben im Hochgebirge erleichtert, auf das Erbe der Denisovaner zur&uuml;ck. Es wurden auch Neandertalgenvarianten identifiziert, die unsere Immunantwort auf Infektionen ver&auml;ndern, was sich im Zusammenhang mit Covid bemerkbar macht. Ein epidemiologisch entdeckter Risikofaktor, der weltweit f&uuml;r bis zu eine Million Todesf&auml;lle durch Covid verantwortlich gemacht wird, steuert die Expression von Chemokin-Rezeptoren, darunter CCR5. Dieser dient dem Aids-Virus HIV als Andockstelle. Die Neandertaler-Version des auf Chromosom 3 lokalisierten Gens wurde mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Ansteckung mit Aids verbunden, aber mit einer h&ouml;heren Sterblichkeit durch Covid.5)
Viele genetisch vererbte Eigenschaften, die uns heute Sorgen machen, k&ouml;nnten f&uuml;r Neandertaler vorteilhaft gewesen sein und sich auch in anderen Urmenschen bew&auml;hrt haben. St&auml;rkere Blutgerinnung etwa kann Steinzeitmenschen nach einer Jagdverletzung oder einer schweren Geburt vor dem Verbluten gesch&uuml;tzt haben. Das fortgeschrittene Alter, in dem uns diese Eigenschaft heute dem Risiko von Schlaganfall und Herzinfarkt aussetzt, war f&uuml;r die Neandertaler kein Thema.
Ebenso wenig d&uuml;rften die Gene, die es vielen Menschen erschweren, das Rauchen aufzugeben, oder die nach St&ouml;rung unseres Tagesrhythmus durch Jetlag oder Schichtarbeit zu Depressionen f&uuml;hren, den Neandertalern Sorgen bereitet haben. All diese Neandertalgenvarianten wurden bereits in den Genomen aus dem Altai-Gebirge in Sibirien aufgesp&uuml;rt.
P&auml;&auml;bos Gruppe identifizierte dann anhand eines in hoher Qualit&auml;t sequenzierten Genoms einer Neandertalerin aus der Vindija-H&ouml;hle in Kroatien 16 weitere genetische Eigenarten, die f&uuml;r physiologische und medizinisch relevante Unterschiede bei uns sorgen. Darunter finden sich Unterschiede im Cholesterinspiegel und in der Eigenproduktion von Vitamin D sowie Risikofaktoren f&uuml;r Arthritis, Schizophrenie und Essst&ouml;rungen.6)
Gleichzeitig durchforsteten Michael Dannemann und Janet Kelso vom Leipziger EVA-Institut die Daten von 100 000 Zeitgenossen in der UK Biobank. Sie fanden Hinweise darauf, dass Neandertalergene &auml;u&szlig;erlich sichtbare Eigenschaften wie Haar- und Hautfarbe beeinflussen.7) Allerdings l&auml;sst sich hieraus kein spezifisches Aussehen erschlie&szlig;en, das mit einer n&auml;heren Verwandtschaft zu Neandertalern korreliert. Im Gegenteil: Da die Neandertaler schon sehr viel fr&uuml;her als unsere Vorfahren aus Afrika auswanderten und sich in gem&auml;&szlig;igten Breiten akklimatisierten, hatten sie mehr Zeit, sich an das gem&auml;&szlig;igte und variablere Klima der n&ouml;rdlichen Breiten anzupassen und wiesen vielf&auml;ltige Haut- und Haartypen auf.
Was uns hingegen an Neandertaler-Skeletten und Nachbildungen gleich auff&auml;llt, ist die charakteristische Sch&auml;delform. Philipp Gunz und Kollegen vom EVA untersuchten die Sch&auml;delform von mehr als 4000 modernen europ&auml;ischen Menschen mit Magnetresonanztomographie und suchten nach Korrelationen mit Genvarianten.8) Sie fanden Allele auf den Chromosomen 1 und 18. Diese treten mit dem weniger rund geformten Neandertaler-Sch&auml;del auf und sind offenbar an der Steuerung nahe gelegener Gene f&uuml;r die Hirnentwicklung beteiligt.
<h2 type="main">Fruchtbare Forschung</h2>
Der Lebensweg Svante P&auml;&auml;bos, den dieser in einer Autobiografie dargelegt hat,9) zeigt, wie wichtig es f&uuml;r die Wissenschaft ist, abwegig und aussichtslos erscheinende Ideen mit Enthusiasmus zu verfolgen. Das Genom des Neandertalers zu sequenzieren, das war in den 1990er Jahren noch eine ziemlich verr&uuml;ckte Idee. Respekt geb&uuml;hrt der Max-Planck-Gesellschaft, die P&auml;&auml;bo auf dieser Grundlage im Jahr 1999 ein neues Institut anvertraute. Heute tr&auml;gt diese Idee Fr&uuml;chte nicht nur in den grundlegenden Fragen unserer biologischen Identit&auml;t und unseres Menschenbilds, sondern auch in der Physiologie und Medizin.
Der promovierte Chemiker Michael Gro&szlig; ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. www. <a href="https://michaelgross.co.uk" target="_blank" rel="noopener">michaelgross.co.uk</a>
<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>
Die Sequenzierung des Neandertalgenoms war schwierig, da nur wenig Substanz vorlag und diese stark verunreinigt war.
Vor rund 70 000 Jahren vermischte sich Erbgut von Neandertalern, Denisovanern und Cromagnon-Menschen.
Anhand des Neandertalers wurden mehr als 16 genetische Eigenarten identifiziert, die bei uns f&uuml;r physiologische und medizinisch relevante Unterschiede sorgen.
<ul class="references" xml:id="nadc20224132747-bibl-0001" cited="no">
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<li xml:id="nadc20224132747-bib-0003">3 E. T. Todd, L. Tonasso-Calvi&egrave;re, L. Chauvey et al., Science 2022, 377, 1172</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0004">4 M. Gro&szlig;, Nachr. Chem. 2019, 67(9), 60</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0005">5 H. Zeberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2022, 119, e21164351</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0006">6 K. Pr&uuml;fer, C. de Filippo, SS. Grote et al., Science 2017, 358, 655</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0007">7 M. Dannemann, J. Kelso, Am. J. Hum. Genet. 2017, 101, 578</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0008">8 P. Gunz, A. K. Tilot, K. Wittfeld et al., Curr. Biol. 2019, 29, 120</li>
<li xml:id="nadc20224132747-bib-0009">9 S. P&auml;&auml;bo, Die Neandertaler und wir: Meine Suche nach den Urzeit-Genen, S. Fischer 2014</li>
</ul>

Bioanalytik

Mit Nanoröhren Botenstoffe detektieren

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