FARBEN HÖREN, GENE SUCHEN - MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
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wissen aus
Farben hören,
Gene suchen
Text: Klaus Wilhelm
Die Synästhesie ist eines der
faszinierendsten Phänomene der
Psychologie und Neurowissen- „Synästhesie“ bedeutet wörtlich „Mit- der Wissenschaftler“, wie er sagt. Ihn
56 schaften. Nur sehr langsam lüften Wahrnehmung“, „gemeinsame Wahr interessiert es, „auf die DNA von
sich die damit verbundenen nehmung“. Sie ist ein neuropsycho Genen zu schauen und zu verstehen,
logisches Phänomen, wobei die Wahr- was Gene biologisch für das Verhalten
wissenschaftlichen Geheimnisse.
nehmung eines Sinnes einen anderen oder die Sprache oder sonstige Merk-
Neuen Schwung bekommt die mit anregt – und „keine Störung oder male bedeuten“. Zuerst entdeckte sein
Forschung durch die Studien von gar Krankheit“, wie Simon Fisher, Team Gene, die bestimmte Sprach-
Simon Fisher und seinem Team Direktor am Max-Planck-Institut für störungen beeinflussen. Irgendwann
am Max-Planck-Institut für Psycholinguistik, betont. Geschätzte in seiner Karriere traf er auf seinen
sechzig bis achtzig Formen von Syn- Kollegen Simon Baron-Cohen, Pro-
Psycholinguistik im niederländi-
ästhesie soll es geben. Alltag für rund fessor für Entwicklungspsychopatho-
schen Nijmegen. vier Prozent der Menschen. Etwa für logie an der Cambridge University,
Lara Grabitz. Die Physikstudentin der zu den sogenannten Autismus-
sieht bei ihrer Graphem-Farb-Syn Spektrum-Störungen und zu Synäs-
ästhesie die Buchstaben oder Zahlen thesie forscht. „Ich wusste damals
Selbst außerhalb wissenschaftlicher eines Textes direkt auf dem Papier nicht viel darüber“, sagt Fisher, „fand
Maßstäbe ist Synästhesie verblüffend oder auf dem Bildschirm farbig. Wenn das Thema aber unheimlich span-
rätselhaft – zumindest für alle, die sie auf ihrem Cello spielt, hört sie die nend.“ Über den genetischen Hinter-
nicht davon betroffen sind. Stellen Töne als Zahlen. Vernimmt sie eine grund der Synästhesie war damals so
Sie sich vor, Sie sehen oder hören ei- Jahreszahl, sieht sie eine Art Zeitstrahl gut wie nichts bekannt.
nen bestimmten Buchstaben, sagen vor sich, auf dem die Jahre angeordnet
wir: das F. Und schon leuchtet es rot sind. „Für mich fühlt sich diese Welt Als Fisher dann den Posten als Direktor
vor Ihrem inneren Auge. Oder das Z normal an“, sagt die junge Frau. „Ich am Max-Planck-Institut für Psycho-
– und schon sehen Sie grün. Stellen kenne das ja nicht anders – mich linguistik antrat, eroberten neue Ver-
Sie sich nun vor, Sie lesen ein Buch. würde es eher beängstigen, wenn das fahren die Forschung, die die schnelle
Dann kann es sein, dass Sie gleichzei- plötzlich weg wäre.“ Analyse ganzer Genome durch Hoch-
tig einen kontinuierlichen Film der leistungsmaschinen ermöglichen –
Farben wahrnehmen. Andere Men- Simon Fisher gehört zu den 96 Prozent von Tausenden Menschen gleichzei-
schen hören bestimmte Worte – und der Bevölkerung, die Synästhesie tig. Immer präziser, immer günstiger,
schon spüren sie einen süßen, sauren nicht aus eigener Erfahrung kennen. immer raffinierter, ein riesiger Fort-
oder sonstigen Geschmack im Mund. Er ist Neurowissenschaftler und Ge- schritt. Doch „trotz aller Technologie
Und so weiter. netiker, „ein interdisziplinär denken- ist die Analyse dieser DNA-Rohdaten
Max Planck Forschung · 4 | 2021
wissen
Aus
biologie & medizin
Malerei für die Ohren: Der
Künstler Wassily
Kandinsky gehört zu den
bekanntesten Synästheten.
Dieses Bild mit dem Titel
Drei Klänge aus dem Jahr
1926 verkörpert seine Idee,
wonach Farben und Formen
Musik vermitteln können –
und umgekehrt.
57
Bi l d: Wa s si ly K a n di nsk y / H e r i tage I m age s / F i n e A rt I m age s / akg - i m age s
Max Planck Forschung · 4 | 2021
wissen aus
und wie stark die Gene letzt-
lich ein Merkmal beeinflus-
sen, noch immer eine intellek-
tuelle Herausforderung“, er-
klärt Fisher. Denn die Gene
I l lus t r at ion: F r a nc i s Ga lt on/ I nqu i r i e s i n t o H u m a n Fac u lt y ( Mac m i l l a n 18 83, Sec on d Edi t ion, Ev e ry m a n, 19 0 7 )
mögen zwar die Anleitung ge-
ben für Aufbau und Verhalten
des menschlichen Gehirns,
aber herauszufinden, in wel-
cher Weise diese Anleitung um-
gesetzt wird – das ist die hohe
Kunst der DNA-Analyse.“
Und die Arbeit der Bioinforma-
tik. Die Fachleute untersuchen,
ob gewisse Merkmale gleichzei-
tig mit Varianten bestimmter
DNA-Sequenzen oder Gene
auftreten. „Das braucht Ge-
schick, Können, eine Menge
Glück – und vor allem viele
DNA-Proben von Menschen
mit Synästhesie“, sagt der For-
scher. Denn nur selten übt ein
einziges Gen einen großen Ef-
fekt auf komplexe Merkmale
wie die Synästhesie aus. Meist
sind es viele Gensequenzen, die
58 zusammen ein Merkmal wahr-
scheinlicher machen.
In diesem Sinne haben die For-
schenden bereits viele Jahre da-
mit verbracht, Menschen mit
Synästhesien für ihre Studien
zu suchen. Sie arbeiten dabei an
zwei unterschiedlichen For-
schungslinien: Zum einen
braucht das Team aus der All-
gemeinbevölkerung so viele
nicht verwandte Testpersonen
mit Graphem-Farb-Synästhe-
sie wie möglich. In deren Erb-
gut fahnden die Forschenden Frühe Kategorisierung: In Francis Galtons 1883 veröffent-
nach sogenannten Polymor- lichtem Buch über Psychologie finden sich Zeichnungen von
phismen. Das sind „normale“ Synästheten. Die Felder 64 und 65 zeigen Beispiele für die
Varianten von Genen, die sich Wahrnehmung von Zahlen im Raum, begleitet von
Farbempfindungen. Auf Tafel 66 sind die Monate des Jahres
oft nur in einem einzigen Bau- als Kreis angeordnet und mit Farben verbunden. Tafel 69
stein unterscheiden. Obwohl je- zeigt Farben oder Muster in Verbindung mit verschiedenen
der Polymorphismus für sich Buchstaben und Ziffern.
nur einen kleinen Effekt hat,
könnten sich diese Effekte von
Varianten verschiedener Gene sum- geschafft“, sagt Fisher. Jetzt rückt das ästhesie, könnten diese Varianten mit
mieren, sodass ein Mensch wahr- erste Ziel näher: die Genome dieser dem Merkmal zusammenhängen.
scheinlicher eine Synästhesie ent- tausend Menschen auf alle „verdäch-
wickelt. Um das statistisch aussage- tigen“ Polymorphismen hin zu unter- Zum Zweiten fahndet das Team aus Nij-
kräftig festzustellen, sind die Ge- suchen. Kommen bestimmte dieser megen nach Familien, in denen Syn-
nome von mindestens tausend Syn DNA-Varianten bei Synästheten häu- ästhesie über die Generationen hin-
ästheten nötig. „Das haben wir fast figer vor als bei Menschen ohne Syn- weg gehäuft auftritt. In den Genomen
Max Planck Forschung · 4 | 2021
biologie & medizin
dieser Menschen suchen die For- ger von ihnen ähnelt sich“, erklärt Stanford University entwickelt hat.
schenden mit ihren Hightech-Me Tilot. Sechs dieser Gene halten die Mit dem Selbsttest, den es auch als
thoden nach Genen, die das unge- Forschenden für besonders spannend, App fürs Smartphone gibt, lässt sich
wöhnlich hohe Vorkommen der Syn- denn sie gelten als besonders wichtig einigermaßen verlässlich bestimmen,
ästhesie in diesen Familien mit erklä- für die Gehirnentwicklung in der frü- ob ein Mensch von einer der gut un-
ren. „Um das statistisch zuverlässig hen Kindheit. Sie sind daran beteiligt, tersuchten Formen von Synästhesie,
sagen zu können, benötigen wir gro dass sich die Fortsätze von Nerven- etwa der Graphem-Farb-Synästhesie,
ße Familien“, erklärt Simon Fisher. zellen (sogenannte Axone) bilden und betroffen ist oder nicht. Wer in dem
„In ähnlichen früheren Studien zu verschalten – ein Axonogenese ge- Test als Synästhet identifiziert wird,
Sprachstörungen haben wir eine Drei- nannter Prozess. Dabei vernetzen kann an den Studien des Fisher-
Generationen-Familie untersucht, in sich Nervenzellen mit Neuronen in Teams teilnehmen.
der fünfzehn von dreißig Mitgliedern anderen Hirnregionen. Die gefunde-
betroffen waren. Die Synästhesie- nen Gene sind unter anderem im Seh-
Familien, die wir bis jetzt gefunden und Hörzentrum besonders aktiv. Das Klassenzimmer
haben, sind viel kleiner.“ „Viele Wege könnten dazu führen,
dass die Vernetzung der Nervenzel-
hat Einfluss
Dennoch: Erste vorläufige Ergebnisse len durch leichte Abwandlungen der
liegen vor. Dank der Kooperation mit Axonogenese verstärkt wird“, betont Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass
Simon Baron-Cohen bekam die Fi Tilot – zum Beispiel durch Länge und sich eine synästhesieartige Wahrneh-
sher-Gruppe die Chance, Genome Lage der Nervenfasern oder durch mung erlernen lässt. Wie? „Zum Bei-
von drei Familien zu analysieren, in ungewöhnliche Verästelungen und spiel über ein intensives Lesetraining
denen über mindestens drei Genera- andere Veränderungen der Form. Die von Texten mit kolorierten Buchsta-
tionen hinweg fünf oder mehr Mit- Studie zeigt, wie genetische Unter- ben“, erklärt Fisher. „So bekommen
glieder jeweils eine Klang-Farb-Syn- schiede die Sinneserfahrungen beein- Menschen auch ohne diese genetische
ästhesie hatten. Das Team um Erst flussen können – möglicherweise Veranlagung eine künstliche Synäs-
autorin Amanda Tilot fischte unter über eine veränderte Vernetzung der thesie. Aber es scheint nicht das Glei-
den Genen 37 Kandidaten heraus, die Nervenzellen im Gehirn. „Die Syn- che zu sein, denn die Personen verlie-
mit Synästhesie zusammenhängen ästhesie ist damit ein eindeutiges Bei- ren diese Gabe wieder.“ Dass Men- 59
könnten. Zwar waren nicht immer spiel für Neurodiversität, die wir res- schen mit echter Synästhesie ihre
alle diese Gene in allen drei Familien pektieren und schätzen sollten“, sagt Gabe automatisch (ohne sich darauf
verändert. „Doch die Funktion eini- Simon Fisher. konzentrieren zu müssen) und konsis-
tent über die Jahre erleben, gilt als ei-
„Die mögliche Rolle von Genen, die an nes der zuverlässigsten Merkmale des
der Axonogenese beteiligt sind, ist Phänomens. In der Regel beginnt die
wirklich interessant“, betont Fisher. Entwicklung in den Kinderjahren.
„Denn dies würde die These stützen, „Die Synästhesie“, so Fisher, „ist ein
dass es bei Menschen mit Synästhesie überaus interessantes Beispiel dafür,
Auf den Punkt eine erhöhte Konnektivität zwischen wie Gene und Umwelterfahrungen
gebracht Hirnregionen gibt, die sonst eher zusammenwirken. Von Geburt an
nicht miteinander verknüpft sind.“ gibt es immer diese genetische Prädis
Bei Kindern treten Doch es kursieren auch andere Theo- position.“ Doch die Farben, welche
synästhetische Assoziationen rien, welche die Synästhesie erklären die Betroffenen zum Beispiel mit be-
zunächst chaotisch und sollen – zum Beispiel könnte auch die stimmten Lauten oder Buchstaben
fließend auf, werden aber mit Balance der Nervenzellerregung im assoziieren, entwickeln sich stets
der Zeit beständiger.
Gehirn verändert sein. „Letztend- durch Umwelterfahrungen in der
Menschen mit Erkrankungen lich“, sagt Simon Fisher, „brauchen Kindheit. Das zeigen Studien der
des autistischen Spektrums wir noch mehr Daten dazu.“ Deshalb Synästhesieexpertin Julia Simner von
berichten deutlich häufiger setzt sein Team die Suche nach Syn- der University of Sussex, für die sie
als andere von Synästhesieer- ästheten für seine Studien unvermin- britische Grundschulkinder über
fahrungen.
dert fort – über Kooperationen mit mehrere Jahre beobachtete. Ergebnis:
Bei der Entwicklung von Forschungsgruppen weltweit, aber Es braucht Zeit, damit sich eine Syn-
Synästhesie könnten mehrere auch über andere Kanäle. Zum Bei- ästhesie entwickeln kann. Und, so
Gene eine Rolle spielen, spiel stellen die Max-Planck-For- Amanda Tilot: „Das Klassenzimmer
die an der Vernetzung von schenden auf der Homepage ihres In- kann eine zentrale Rolle in der Ent-
Nervenzellen zwischen stituts die sogenannte Synaesthesia wicklung von Synästhesie spielen, da
verschiedenen Hirnregionen
Battery zur Verfügung, eine Test- dort Alphabet, Zahlen und der Kalen-
beteiligt sind.
möglichkeit, die der Neurowissen- der mit dem Gedächtnis in Verbin-
schaftler David Eagleman von der dung gebracht werden.“
Max Planck Forschung · 4 | 2021
wissen aus
Die wenigen Kinder jeder Grundschule, sie beständiger.“ Viele dieser Kinder mon Baron-Cohens Team hat zudem
die in der britischen Studie zu Gra- und Jugendlichen merken dann gar herausgefunden, dass Synästhesie
phem-Farb-Synästheten wurden, as- nicht, dass sich ihre Wahrnehmung häufiger unter Menschen mit Erkran-
soziierten die Farben ihres Alphabets von der anderer Leute unterscheidet. kungen des autistischen Spektrums
nach und nach während der ersten vorkommt – bis zu 20 Prozent dieser
Schuljahre. Diese Kinder ordneten im Menschen berichten von Synästhesie-
Alter von sechs bis sieben Jahren rund Synästhesie kann erfahrungen. Amanda Tilot weist in
9 von 26 Buchstaben feste Farben zu.
Ein Jahr später war die Farbe bei 12 bis
nützlich sein diesem Kontext auf den außerge-
wöhnlichen Fall des Briten Daniel
13 Buchstaben immer die gleiche, bei Tammet hin, der als Autist mit facet-
den Zehn- bis Elfjährigen traf das be- Unter den Menschen, die ihr Dasein tenreicher Synästhesie außergewöhn-
reits auf 18 oder 19 Buchstaben zu. dann wirklich synästhetisch erleben, liche Leistungen vollbringt. So kann
„Anfangs sind die synästhetischen As- sind Frauen und Männer gleich oft sich Tammet mehr als 20 000 Nach-
soziationen chaotisch und fließend“, vertreten, wie kürzlich eine Studie mit kommastellen der mathematischen
sagt Fisher, „aber mit der Zeit werden tausend Probanden ermittelt hat. Si- Zahl Pi merken und wiedergeben.
Was zeigt: Synästhesie kann zuweilen
nützlich sein. Graphem-Farb-Syn
ästheten beispielsweise sagen oft, dass
die Farben ihnen helfen, sich Telefon-
Interdisziplinär unterwegs: Simon Fisher führt in nummern oder andere numerische
seiner Arbeit Erkenntnisse aus der Genetik und Informationen zu merken. In Studien
der Hirnforschung zusammen, um das Phänomen haben Menschen mit Synästhesie bei
Synästhesie besser zu erklären. Gedächtnisübungen besser abge-
schnitten als Menschen ohne diese
Fähigkeit, wenn sie ihre außerge-
wöhnliche Wahrnehmung zum Erin-
nern nutzen konnten. In seinem Buch
60 „Elf ist freundlich und Fünf ist laut“
beschreibt Daniel Tammet, wie er
Farbe, Form und Ort jeder Zahl als
einzigartig wahrnimmt und es ihm
dadurch gelingt, komplexe mathema-
tische Gleichungen in Blitzgeschwin-
F o t o: I n t e r nat iona l Dysl e x i a A s s o c i at ion, I DA C on f e r e nc e O c t. 2 018
digkeit zu lösen. Allgemein sind Men-
schen mit Synästhesie im Durch-
schnitt kreativer.
Es gibt aber auch die Kehrseite der Me-
daille, wie Simon Fisher sagt: „Die
vielen simultanen Wahrnehmungen
können für die Betroffenen zuweilen
erdrückend wirken.“ Manchmal gibt
es auch Konflikte zwischen den
gleichzeitigen Wahrnehmungen. Das
kann verstörend sein – zum Beispiel
wenn man Buchstaben liest und es pa-
rallel nach faulen Eiern stinkt.
„Schwierig“, sagt die Synästhetin Lara
Grabitz, „wird es immer dann, wenn
die Systeme kollidieren, wenn meine
inneren Systeme an die Systeme sto-
ßen, die die Welt hat.“ Zum Beispiel,
wenn im Orchester die Fingersätze,
die ihr Pultnachbar in die Noten
schreibt, nicht zu den Zahlen passen,
die sie mit den Tönen verbindet.
Synästhesie-Selbsttest:
www.mpi.nl/page/
join-our-synaesthesia-genetics-research
Max Planck Forschung · 4 | 2021
WARUM SCHEITERN EHEN?
WIE BEEINFLUSST DIE
UMWELT UNSER GEHIRN?
WIE TREFFEN WIR BESSERE
ENTSCHEIDUNGEN?
WIE FUNKTIONIERT
MULTIKULTI? WARUM SPRECHEN WIR,
WAS BEDEUTET WIE WIR SPRECHEN?
WOHNUNGSLOSIGKEIT?
WARUM IST ABNEHMEN
SO SCHWER?
Geistes- und
Sozialwissen-
schaftler:innen
im Gespräch
Die neue Podcastserie von detektor.fm
und der Max-Planck-Gesellschaft
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www.mpg.de/16838013wissen aus
Bi l d: M PI f ü r bioph ysi ka l i s c h e C h e m i e/ Ca r m e n Ro tt e
62
Die Alpaka-Dame Britta nach
der Schur. Alpakas stammen aus
Südamerika und sind mit den
Lamas verwandt. Ihr Immun-
system produziert besonders
einfach aufgebaute Anti-
körper. Diese lassen sich leichter
für die Medizin nutzen.
Max Planck Forschung · 4 | 2021biologie & medizin
Booster vom Alpaka
Text: Klaus Wilhelm
Grundlagenforschung verläuft oft in
verschlungenen Bahnen und führt
nur über Umwege zu einer Anwendung.
Bei Dirk Görlich vom Max-Planck-
Institut für Multidisziplinäre Naturwis- 63
senschaften in Göttingen, begann der
Weg mit Abwehrstoffen des Immun- Planck-Institut für Multidisziplinäre chen Stellen treffen, die normalen
systems von Alpakas. Die als Nano- Naturwissenschaften (bis Ende 2021 Antikörpern unzugänglich sind. Die
Max-Planck-Institut für biophysika- Forschenden vermuten, dass ein breit
bodies bezeichneten Proteine hat
lische Chemie). gefächertes Antikörperarsenal die
der Forscher mit seinem Team in Immunantwort gegen unterschied-
kürzester Zeit zu einem Wirkstoff Früher waren Alpakas allenfalls aus dem lichste Krankheitserreger flexibler
gegen Sars-CoV-2 weiterentwickelt. Streichelzoo bekannt. Inzwischen er- und damit effektiver macht. Die soge-
Auch gegen die Omikronvariante des freuen sie sich auch bei Profi- und nannten Nanobodies sind die kleins-
Hobbyzüchtern großer Beliebtheit. ten Antigen-bindenden Fragmente
Virus gibt es schon Lösungen. Nun
Mehrere Tausend dieser ursprüng- dieser einfachen Alpaka/Kamel-An-
müssen die Nanobodies ihre Wirk- lich aus Südamerika stammenden, zu tikörper.
samkeit und Verträglichkeit noch den Kamelen gehörenden Tiere wer-
in klinischen Studien am Menschen den inzwischen in Deutschland ge- Antikörper sind Proteine, die sich sehr
beweisen. halten. Dirk Görlich und sein Team selektiv an bestimmte Moleküle hef-
interessieren sich jedoch weniger für ten können, zum Beispiel an Ober
das süße Aussehen oder die Wolle der flächenmoleküle von Krankheitserre-
Alpakas als für eine Besonderheit gern. Dadurch markieren sie die Ein-
ihres Immunsystems: Kamele produ- dringlinge als Zielobjekt für Immun-
Wenn Britta, Nora und Xenia ihren Stall zieren bei Infektionen neben gewöhn- zellen. Sie können die Moleküle aber
am Göttinger Faßberg verlassen, bie- lichen Antikörpern auch einfache auch direkt ausschalten. Wissen-
tet sich ihnen ein toller Blick über die Ausgaben davon. Während sich nor- schaftlerinnen und Wissenschaftler
zu ihren Füßen liegende Universitäts male Antikörper aus zwei langen und setzen Antikörper deshalb ein, um
stadt. Sicherlich nicht ganz so atem- zwei kurzen Aminosäureketten zu- Moleküle zu markieren oder zu blo-
beraubend wie in ihrer Heimat, den sammensetzen, bestehen die einfa- ckieren und so deren Funktion zu stu-
Anden, aber dafür sind die Tiere Teil chen nur aus zwei langen Ketten mit dieren. Die geringen Mengen, die sie
eines außergewöhnlichen Forschungs- einer kleineren Bindestelle für ein dafür benötigen, lassen sich von Tie-
projekts. Die drei Alpakas gehören zu Antigen. Möglicherweise können sie ren gewinnen. Dazu wird beispiels-
einer Herde von 22 Tieren am Max- so Krankheitserreger an empfindli- weise Kaninchen oder Ziegen eine
Max Planck Forschung · 4 | 2021wissen aus
„antigene“ Substanz verabreicht, wel- eines Proteinkomplexes aus der kleinen Menge Blut isolierte das
che die Bildung des gewünschten An- Transportmaschinerie der Zelle auf- Team daraufhin die Baupläne für
tikörpers im Körper der Tiere anregt. zuklären, indem sie Kristalle davon mehr als eine Milliarde unterschied
Aus Blutproben lassen sich die Anti- herstellten und ihn dann mit Rönt- licher Nanobodies und selektierte
körper dann isolieren. genstrahlen analysierten. Aber der durch das sogenannte Phagen-Dis-
Komplex ließ sich einfach nicht kris- play aus dieser riesigen Bibliothek
Dank ihrer Fähigkeit, an bestimmte tallisieren – bis schließlich ein Nano- jene Moleküle, welche die Rezeptor-
Moleküle zu binden, können Antikör- body einer belgischen Firma an die- Bindedomäne des Virus am stärksten
per auch als Medikamente eingesetzt sen Komplex gebunden wurde. „Das binden.
werden. Rheuma, Hepatitis B oder hat das Problem auf Anhieb gelöst“,
Tollwut zum Beispiel werden bereits berichtet Görlich. So entstand der Doch welches davon schaltet das Virus
mithilfe von Antikörpern behandelt. Plan, Nanobodies künftig selbst her- am effektivsten aus? Matthias Dobbel-
Auch zur Behandlung von Covid-19 zustellen und dafür am Institut eine stein, Virologe und Direktor des In
kommen sie zum Einsatz. Doch in der kleine Herde Alpakas aufzubauen. stituts für Molekulare Onkologie an
benötigten Qualität und Menge las- Seitdem sind die Göttinger zu Exper- der Universitätsmedizin Göttingen,
sen sie sich nicht aus Blutproben von ten in Sachen Nanobodies avanciert. und sein Team infizierten im Labor
Versuchstieren gewinnen. Stattdessen Sie nutzen Nanobodies als Werk- Zellkulturen mit Sars-CoV-2 und tes-
produziert man sie in genetisch ver- zeuge in der Grundlagenforschung – teten die verschiedenen Nanobodies
änderten Hamsterzellen. Das ist auf- zum Beispiel um spezifische Trans- darauf, wie gut sie jeweils die Ver-
wendig und teuer, ist aber dem kom- portwege in Zellen zu blockieren oder mehrung des Virus blockierten. „Je
plexen Aufbau der Antikörper aus als hochpräzise Sonden zur Lokalisie- geringer die Konzentration des Nano-
kurzen und langen Aminosäureketten rung von Proteinen in der Fluores bodys sein kann, desto niedriger ist
geschuldet, die zudem noch mit Zu- zenzmikroskopie. auch das Risiko von Nebenwirkun-
ckerketten dekoriert sind. Anders die gen“, erklärt Görlich. Die wirksams-
Nanobodies: Wegen ihrer einfacheren Dann kam Corona. „Es war klar, dass ten Nanobodies konnten noch in
Zusammensetzung sind sie auch ein- wir Nanobodies gegen Sars-CoV-2
facher herzustellen. entwickeln können“, erzählt Görlich.
Was folgte, war eine emotionale Berg-
Auf den Einsatz von Nanobodies kamen und-Tal-Fahrt für das gesamte Team,
64 Dirk Görlich und sein Team vor etwa das sein Projekt mit enormem Einsatz
sieben Jahren. Damals versuchten die verfolgte: „Es macht nämlich einen
Nanobody Nanobody-Tandem
Forschenden, die räumliche Struktur großen Unterschied, ob man Nano-
bodies für die Grundlagenforschung
entwickelt oder für die Medizin. Im
Labor sollen sie lediglich spezifisch
an ihre Zielstruktur binden, und we-
nige Milligramm genügen, um Tau-
Auf den Punkt sende Experimente durchzuführen.“ Eindringen in die Zelle verhindert:
gebracht Für therapeutische Zwecke müssen
Keine Infektion
sie ihr Zielmolekül aber nicht nur bin-
Nanobodies sind einfacher
aufgebaut als herkömm-
den, sondern auch neutralisieren, und
liche Antikörper. Daher das in winzigen Konzentrationen, um
können sie leichter in Nebenwirkungen möglichst gering zu
großen Mengen für den halten. Zusätzlich ist eine sehr hohe
medizinischen Einsatz Stabilität erforderlich, damit die
hergestellt werden. Nanobodies die Produktionsprozesse
Die neu entwickelten Nano- und eine mehrjährige Lagerung un-
bodies gegen Sars-CoV-2 beschadet überstehen. Und sie sollten
neutralisieren das Virus sich mindestens in Kilogramm-Men-
schon in geringsten Mengen, gen produzieren lassen.
wirken auch gegen die neuen
Virusvarianten und können Die Forschenden verabreichten Britta,
schnell an neue Mutationen
angepasst werden. Nora und Xenia einen entscheiden-
den Teil des Spike-Proteins von Sars-
Nanobodies könnten auch CoV-2: die Rezeptor-Bindedomäne,
zur Behandlung von mit der das Coronavirus seine Wirts-
anderen Erkrankungen zellen erkennt und sich an sie anheftet.
sowie von Schlangenbissen
Das Immunsystem der Alpakas re-
eingesetzt werden.
agierte prompt und produzierte Anti-
körper gegen das Virus. Aus einer
Max Planck Forschung · 4 | 2021biologie & medizin
Konzentrationen von weniger als ei- Rezeptor-Bindedomäne erkennen. Damit haben sie nun gleich mehrere
nem millionstel Gramm pro Liter „Die Bindung dieser Tandems ist so Nanobody-Klassen entdeckt, die die
eine Infektion von Zellen durch Sars- stark, dass sie die neuen Mutationen Bindestelle aller bisherigen Varianten
CoV-2 vollständig verhindern. Diese tolerieren, mit denen sich das Virus einschließlich Omikron bereits bei
modifizierten die Forschenden so, dem Immunsystem zu entziehen ver- einer niedrig picomolaren Konzen-
dass sie auch bei Temperaturen von sucht. Diese Strategie hat mit den Al- tration blockieren.
bis zu 95 Grad stabil bleiben und pha-, Beta-, Gamma- und Deltavari-
nicht verklumpen. Damit lassen sie anten des Virus perfekt funktioniert“, Bleibt das Problem der Produktion im in-
sich einfacher herstellen, verarbeiten erläutert Thomas Güttler, Wissen- dustriellen Maßstab. Genügen für die
und lagern sowie sicherer einsetzen schaftler in Görlichs Team. Laborforschung wenige Milligramm
der Mini-Antikörper, so braucht es
„Zwischenzeitlich hatten wir die Alpakas für den weltweiten Einsatz gegen eine
Tandems gegen mit Proteinen der Virusvarianten er- Pandemie viele Kilogramm davon. In
Varianten neut immunisiert und dann Nano
bodies selektiert, die bereits als Mono
entsprechend dimensionierten Bio
reaktoren können Hefezellen, die mit
mere nicht nur den ursprünglichen der Erbinformation für die Nanobo-
Doch dann tauchten Varianten des Vi- Wuhan-Stamm, sondern auch Alpha dies ausgestattet wurden, große Men-
rus auf, die noch infektiöser waren als bis Delta potent neutralisieren“, be- gen davon herstellen.
der ursprüngliche Erreger. Ihr Spike- richtet Metin Aksu, ebenfalls wissen-
Protein hatte sich so verändert, dass schaftlicher Mitarbeiter des Teams. Doch wer im Labor einen möglichen
Antikörper den Erreger schlechter Für die kürzlich aufgetauchte Omi Wirkstoff gegen eine der schlimmsten
neutralisieren können. Dirk Görlich kronvariante mit ihren 15 Mutationen Seuchen der jüngeren Geschichte
und sein Team koppelten deshalb in der Rezeptor-Bindedomäne muss- entwickelt hat, dem stehen nicht auto-
zwei Nanobodies aneinander, die je- ten die Göttinger allerdings weitere matisch alle Türen für klinische Stu-
weils unterschiedliche Bereiche der Phagen-Display-Runden einlegen. dien offen. „Da war ich etwas naiv“,
Das Spike-Protein auf der Oberfläche von
Sars-CoV-2 bindet an die ACE2-Rezeptoren
von Zellen. Antikörper des Immunsystems 65
können es jedoch blockieren und so verhindern,
dass das Virus in die Zellen eindringt.
Klassische Antikörper-Proteine bestehen aus
zwei langen und zwei kurzen Aminosäureket-
Alpaka-Antikörper ten. Die Mini-Antikörper von Alpakas besitzen
dagegen nur zwei lange Ketten. Aus deren
Herkömmlicher Bindedomäne lassen sich die sogenannten
Antikörper Nanobodies herstellen, die spezifisch das
Virus-neutralisierende Spike-Protein erkennen können. Zwei
Nanobodies aneinandergekoppelte Nanobodies binden so
stark, dass sie sogar unterschiedliche
Infektion Varianten des Proteins erkennen.
Sars-CoV-2
Gr a f i k : G CO nac h Vor l age n de r M PG
ACE2
Zelle
Max Planck Forschung · 4 | 2021wissen aus
F o t o: M ic h a e l Da n n e n m a n n f ü r M PG
Im Labor des Göttinger Max-Planck-Instituts werden die Nanobodies so an das Spike-Protein
des Coronavirus angepasst, dass sie verschiedene Varianten des Erregers blockieren können
(links: Jürgen Schünemann und Kathrin Gregor, rechts: Waltraud Taxer (hinten) und Renate Rees).
GLOSSAR
sagt Görlich. Zunächst sollte eine Lead Discovery Center. Die Max-
66 Ausgründung der Max-Planck-Ge- Planck-Förderstiftung unterstützt
sellschaft die Nanobodies für den das Projekt finanziell. Nanobodies
Fragmente besonders einfach aufge-
Einsatz am Patienten optimieren und bauter Antikörper, die das Immunsystem
anschließend an Probanden testen. Ermutigt durch die letztlich doch positi- von Kamelen (u. a. Trampeltieren,
Das dafür erforderliche Geld ließ sich ven Erfahrungen wollen die Göttin- Dromedaren und Lamas) gegen
jedoch nicht in kurzer Zeit beschaffen. ger Forschenden jetzt auch Nano Krankheitserreger bildet. Anders als die
Die großen Pharmafirmen reagierten bodies gegen Sepsis entwickeln. Diese klassischen Antikörper bestehen
ebenfalls reserviert. Die Zurückhal- landläufig auch als Blutvergiftung be- Nanobodies nur aus einer einzigen
Aminosäurekette. Sie sind dadurch
tung der Industrie war auch darin be- zeichnete bakterielle Infektion endet einfacher herzustellen und wasserlöslicher
gründet, dass Nanobodies als Arznei- nach wie vor in vielen Fällen tödlich. sowie hitze- und säurebeständiger.
mittel noch sehr neu sind. Bislang hat Antibiotika helfen zwar oftmals gegen Außerdem können sie versteckt liegende
es lediglich ein Produkt zur Behand- die Bakterien, können jedoch deren Bindestellen anderer Proteine besser
lung einer seltenen thrombotischen Giftstoffe nicht eliminieren. „Wir erkennen. Nanobodies werden deshalb für
Erkrankung auf den Markt geschafft. wollen jetzt einen ganzen Cocktail den breiten Einsatz in der Medizin getestet.
von etwa einem Dutzend Nanobodies
entwickeln, die sich genau gegen
Mühsamer Weg diese Gifte richten und sie blockie- Eine molekularbiologische Technik, um
Phagen-display
zum Medikament ren“, sagt Dirk Görlich. Auch zur Be-
handlung von Schlangenbissen könn-
Nanobodies (oder andere „Binder“ ) aus
sogenannten Immunbibliotheken zu
ten Nanobodies ein wirksames Mittel isolieren. Dabei wird jeder Nanobody der
Bibliothek direkt mit „seinem“ DNA-
Erst im letzten Moment fand sich eine sein. Bisher können die Toxine nur codierten Bauplan gekoppelt. Dafür
Firma aus Israel, welche die klinische durch Pferdeserum unschädlich ge- verpacken Bakterien-infizierende Viren,
Entwicklung übernehmen wird. „Die macht werden, allerdings mit teils er- sogenannte Phagen, die Bauplan-DNA
Verhandlungen waren recht mühsam heblichen Nebenwirkungen. und tragen den darin codierten Nanobody
und kompliziert. Wir mussten lernen, dann auf ihrer Oberfläche. Baupläne
Antigen-spezifischer Nanobodies lassen
dass die Entwicklung eines Arznei- Vom exotischen Abwehrstoff eines exoti-
sich anschließend isolieren, indem
mittels ganz eigenen Regeln folgt“, schen Versuchstiers zu neuartigen die Nanobodies an ein immobilisiertes
berichtet Dirk Görlich. Unterstüt- Medikamenten – die Entwicklung Antigen gebunden und alle anderen
zung erhält sein Team dabei durch dieser neuen Antikörpertechnologie Nanobodies weggewaschen werden.
Experten für Technologietransfer wäre ohne Grundlagenforschung
von Max-Planck-Innovation und des nicht möglich gewesen.
Max Planck Forschung · 4 | 2021Im Herzen
unwider-
stehlich
Für seine Forschung über das
schwarze Loch im Herzen der
Milchstraße erhielt Reinhard Genzel
2020 den Nobelpreis für Physik.
Wir fördern sein Projekt GRAVITY+
am Max-Planck-Institut für extra-
Die Max-Planck-Förderstiftung unterstützt terrestrische Physik, weil er mit dem
seit über fünfzehn Jahren die Max-Planck- weltweit größten virtuellen optischen
Gesellschaft, indem sie an den mehr als Teleskop die galaktische Schwer-
80 Instituten gezielt innovative und kraftfalle genau unter die Lupe
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