Mit Licht Genaktivität steuern

Mit dieser Plattform k?nnen die Forscher einzelne Hefezellen individuell mit blauem Licht von unterschiedlicher Dauer und Intensit?t beleuchten. Durch die Einf¨¹hrung fremder Gene wurden diese Zellen gentechnisch so ver?ndert, dass sie auf Licht dieser Farbe reagieren, indem sie einen Transkriptionsfaktor aktivieren. Dies f¨¹hrt dann zur Transkription eines spezifischen Gens.

An die Transkripte dieses Gens, die Boten-RNAs, lagern sich fluoreszierende Proteine an. Dadurch entstehen helle fluoreszierende Punkte, wenn die Transkription aktiv stattfindet. Die Forscher k?nnen dann diese Punkte mittels Fluoreszenzmikroskopie abbilden und auswerten.

Dieses System koppelten die Wissenschaftler mit einem Computer. Dieser wertet aus, wie viele RNA-Molek¨¹le zu einem bestimmten Zeitpunkt transkribiert werden und entscheidet ¨¹ber die Lichtmenge, die jede Zelle als n?chstes erhalten sollte, um deren Transkription nach Vorgabe zu regulieren.

Neue Einblicke in Transkriptionsdynamik

?Dank dieser Anordnung konnten wir aufzeigen, dass die Aktivierung und die Deaktivierung der Transkription sehr rasch vonstatten geht?, sagt ETH-Professor Khammash. Sein Team konnte weiter feststellen, dass die Transkription in einer Zelle in Sch¨¹ben verl?uft, deren Dauer und Auftreten durch die Aktivit?t von Transkriptionsfaktoren reguliert wird. Dank ihrem R¨¹ckkopplungsmechanismus konnten die Forscher zudem Unterschiede in den Transkriptionsraten zwischen verschiedenen Zellen verringern.

Zum Test (und zum Feiern des zehnten Geburtstags des Departements f¨¹r Biosysteme im vergangenen Jahr) projizierten die Forscher mit blauem Licht die Zahl 10 auf Hefezellen. Daraufhin wurde in den beleuchteten Zellen die Transkription in Gang gesetzt. Dies f¨¹hrte zur Bildung von hell fluoreszierenden Punkten an den gew¨¹nschten Positionen.

Dynamische Signale verringern Variabilit?t

Die beschriebene Kontrollmethode hat jedoch auch ihre Grenzen: Sie l?sst sich nur unter dem Mikroskop anwenden, nicht aber im Reagenzglas oder in Bioreaktoren. Dies w?re jedoch n?tig, um biotechnologische Prozesse zu steuern.

Um diese Einschr?nkung zu ¨¹berwinden, untersuchten die Forscher M?glichkeiten, die Zellen mit komplexen dynamischen Signale zu steuern. Indem sie verschiedene Arten von Signalen verglichen, stellten die Forscher in einer Studie in der Fachzeitschrift ?externe Seite Nature Communications? fest, dass einzelne Zellen auf pulsierende Signale mit h?herer Genauigkeit reagieren als auf konstante Signale. Dies erm?glicht es nun, auf einfache Weise grosse Populationen von Zellen besser zu kontrollieren. Dar¨¹ber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine m?gliche Strategie hin, mit der Variabilit?t in nat¨¹rlichen Zellpopulationen reguliert wird.

Khammash freut sich, dass die Projekte gelungen sind. Zu Beginn h?tten er und seine Kollegen die Sache aus reiner Neugier erforscht, konkrete Anwendungen h?tten sie keine im Auge gehabt. ?Wir wollten vor allem herausfinden, ob wir den Zufall bei der Transkription in geordnete Bahnen lenken k?nnen?, sagt er. ?Das war eine grosse technische Herausforderung.?

Mittlerweile glaubt er aber, dass seine Plattform eine Goldgrube werden k?nnte. Man k?nne sich verschiedene Anwendungen vor allem in der Forschung vorstellen, bei der die Kontrolle der Transkription wichtig ist, sagt er. So k?nne man sehr rasch Prototypen von genetischen Netzwerken entwickeln, da man nun die Zell-zu-Zell-Kommunikation von aussen steuern k?nne und nicht mehr auf Signalmolek¨¹le angewiesen sei. ?Die Plattform kann aber auch zu einem wichtigen Werkzeug f¨¹r die Gewebez¨¹chtung und die Stammzellforschung werden?. Anwendungen f¨¹r ihre Plattform werden die Forscher nun in den kommenden Jahren genauer unter die Lupe nehmen und haben daf¨¹r bereits Mittel aus dem FET open-Programm der EU erhalten.