Was lässt eine Qualle leuchten? Für Wissenschaftler führte diese einfache Frage zu einem mächtigen neuen Werkzeug, das die Medizin völlig verändert hat – und mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde!

Im Jahr 2007 beobachteten Forscher der UC San Diego die Wanderung von Brustkrebszellen in Echtzeit. Im Jahr 2009 nahmen Wissenschaftler der UC Davis und der Mount Sinai School of Medicine auf Video auf, wie sich HIV zwischen Immunzellen ausbreitete. Biologische Prozesse, die uns einst verborgen waren, können nun wie ein Glühwürmchen zum Leuchten gebracht werden, und das alles dank eines Experiments, das in den Papierkorb geworfen wurde.

Im Jahr 1960 wollte Osamu Shimomura die Wissenschaft nicht revolutionieren – sonst hätte er vielleicht nicht mit dem Studium von Quallen begonnen. Shimomura war ein junger Forscher mit einer einfachen Frage: Warum leuchtet die Kristallqualle Aequorea victoria hellgrün, wenn sie bewegt wird?

Seine Versuche, ein leuchtendes Luziferase-Enzym aus der Qualle zu isolieren, funktionierten nur teilweise. Nach verschiedenen Versuchen im Labor konnte er nur ein schwaches Leuchten aus den isolierten Quallenproben erzeugen, so dass er die Proben zum Aufräumen in ein Waschbecken warf. Als die Flüssigkeit auf das Waschbecken traf, gab es einen plötzlichen hellblauen Blitz.

Shimomura fand schnell heraus, dass es nicht das Waschbecken selbst war, sondern das Meerwasser – insbesondere das Kalzium im Meerwasser – das mit den Proben der Kristallqualle reagierte und den blauen Blitz erzeugte. Aber es gab noch ein weiteres Rätsel: Kristallgelees leuchten grün, nicht blau.

Shimomura stellte die Hypothese auf, dass es in der Qualle eine zusätzliche Verbindung gibt, die das blaue Licht absorbiert und dann grünes Licht aussendet. Diese Verbindung entpuppte sich als ein einzigartiges Protein, das Shimomura „Green Fluorescent Protein“, kurz „GFP“, nannte.

Ein Lichtblitz

Mitte der 1980er Jahre arbeitete Martin Chalfie von der Columbia University mit dem durchsichtigen Rundwurm C. elegans und versuchte zu untersuchen, wo bestimmte Gene in dem Wurm exprimiert wurden.

Zu dieser Zeit war es viel einfacher, Gene in der DNA eines Organismus zu finden, aber herauszufinden, wofür das Gen verantwortlich war und wo es exprimiert wurde, war eine ziemliche Herausforderung.

Nach einem Vortrag, in dem GFP erwähnt wurde, hatte Chalfie einen Moment der Inspiration: Da GFP ein Protein ist, konnte er die DNA-Sequenz, die für GFP kodiert, in die DNA der Spulwürmer einfügen und sie dazu bringen, das leuchtende Protein zusammen mit jedem Gen, das er untersuchte, zu exprimieren. Das Leuchten würde als Markierung dienen, um zu zeigen, wo die Gene exprimiert werden.

Chalfies Methode funktionierte. Plötzlich wurden unsichtbare Prozesse sichtbar und eröffneten eine neue Welt der biologischen und medizinischen Forschung.

Alle Farben des Gehirnbogens

GFP öffnete zwar die Tür, hatte aber auch Grenzen. Für manche Forschungen verblasste es zu schnell, und es gab es nur in einer Farbe. Roger Tsien, Biochemiker an der UC San Diego, nahm GFP und entwickelte neue Variationen, die heller waren und in einer Reihe verschiedener Farben leuchteten, denen Tsien skurrile Namen gab, wie „Monomere Banane“ und „Tandem-Dimer-Tomate“

Mit einer Reihe von GFP-Farben konnten Forscher mehrere Prozesse gleichzeitig und mit höherer Präzision als je zuvor beobachten. Forscher in Harvard nutzten den mehrfarbigen Ansatz, um einzelne Neuronen in Mäusegehirnen abzubilden, und schufen damit ein ikonisches Bild, das als „Brainbow“ bekannt ist.

Im Jahr 2008 erhielten Shimomura, Chalfie und Tsien gemeinsam den Nobelpreis für die Entdeckung und Entwicklung von GFP. In einer Zeit, in der die angewandte Forschung immer mehr in den Mittelpunkt rückt, sollte man sich daran erinnern, dass eine wissenschaftliche Revolution mit Grundlagenforschung, aufgeregten Quallen und einem Experiment begann, das in den Abfluss geworfen wurde.