.Stand: 17.04.2003
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BIOwissenschaften HEUTE

Kurzberichte aus den Lebenswissenschaften ("Life sciences")
Anwendungen mit Alltagskonsequenzen
"Heisse Themen" der Biologie

Hier werden aktuelle Trends und Durchbrüche in den Lebenswissenschaften in Form von Kurzberichten und Zusammenfassungen vorgestellt. Die Auswahl orientiert sich an der Grundlagenforschung, aber auch an den angewandten Gebieten mit besonderer Bedeutung für den Alltag des Menschen.

Hinweis: Aus der Auswahl und dem Kommentar zu den folgenden Informationen darf selbstverständlich keine offizielle Meinung der PHS abgeleitet werden. Diese Rubrik soll einzig und alleine das Interesse an den z.T. gesellschaftlich wichtigen Auswirkungen der modernen Biologie (--> Biopolitik!) wecken.

(K. Frischknecht, 20.01.2001)
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Kurzberichte...
Gentechnik-Meilensteine
Anwendungen
Nobelpreise
heisse Themen...
"Genfood" Stammzellenforschung

Kurzberichte aus den Lebenswissenschaften ("Life sciences")
DNA: Symbol der "neuen" Biologie
Von Mendel zur DNA
E. coli mit DNA und Plasmid
Virus T4 (Bakteriophage)
DNA-Gesetze und Richtlinien
GENTECHNIK Meilensteine einer jungen Biodisziplin
1900 Die drei Botaniker Hugo de Vries (Holland), Erich von Tschermak (Österreich) und Carl Correns (Deutschland) kommen unabhängig voneinander auf die gleichen Ergebnisse wie der Mönch Gregor Mendel 35 Jahre vor ihnen. Diesmal findet aber die Theorie der Vererbung (Merkmale können vererbt werden), mehr Akzeptanz. 1971 Der Biochemiker Paul Berg (USA) formuliert das erste gentechnische Experiment: Er will das Erbgut eines krebserregenden Affenvirus isolieren, um es zu erforschen. Um die Sicherheit zu garantieren, will er das Erbgut des Virus in einem ungefährlichen Bakterienstamm züchten. Noch fehlen ihm aber dazu die notwendigen Methoden.
1910 Thomas H. Morgan (USA) macht Experimente an Fruchtfliegen (Drosophila); er findet die Erbmerkmale auf den sogenannten Chromosomen, die im Lichtmikroskop sichtbar sind. Der Forschungszweig "Genetik" etabliert sich. 1973 Die Molekularbiologen Herbert Boyer und Stanley Cohen (beide USA) führen das erste gentechnische Experiment durch, indem sie die Gene zweier verschiedener Organismen (Frosch und Bakterium) erfolgreich rekombinieren: Das Bakterium vermehrt das Frosch-Gen, als wäre es ein eigenes. Die sogenannte rekombinante DNA-Technologie ist damit geboren.
1944 Der Amerikaner Oswald Avery und seine Kollegen erkennen als erste, dass die vom Schweizer Friedrich Miescher nachgewiesene "Kernsubstanz" aus Genen besteht, welche ihrerseits - chemisch gesehen - funktionelle Einheiten der Desoxyribonukleinsäure (DNA) sind. 1975 Das amerikanische National Institute of Health erlässt Richtlinien für gentechnische Arbeiten. Experimente werden nach möglicher Gefährlichkeit eingestuft. Die Richtlinien werden von den Vereinigten Staaten und vielen anderen Ländern rasch übernommen.
1953 Der amerikanische Biologe James Watson und der britische Physiker Francis Crick stellen das Modell oder die räumliche Struktur des Erbmoleküls DNA als Doppelhelix dar. Damit geben sie den entscheidenden Impuls bei der erfolgreichen Suche nach den grundlegenden molekularbiologischen Prinzipien des Lebens. 1978 Die Wissenschaftler Walter Gilbert (USA) und Fred Sanger (England) entwickeln unabhängig voneinander unterschiedliche Methoden, um die Funktionsweise der Gene detailliert erforschen zu können.
1961 Der Biologe Marshall W. Nierenberg (USA) entziffert das Prinzip des genetischen Codes, also die in der DNA gespeicherte Abfolge der genetischen Informationen für den Bau der Proteine. 1983 Entstehung der "Genkopiermaschine": Kary B. Mullis (USA) entwickelt eine Methode, um beliebig auswählbare Abschnitte aus dem Erbgut millionenfach zu kopieren. Dazu reicht ein einziges Gen aus. Diese sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (kurz PCR) erleichtert gentechnisches Arbeiten ganz wesentlich.
1962 Der Schweizer Molekularbiologe Werner Arber findet Enzyme, welche die Erbsubstanz an bestimmten Stellen schneiden können. Diese als Restriktionsenzyme bezeichneten Substanzen erweisen sich bald als unentbehrliche Werkzeuge für die Gentechnik, insbesondere die rekombinante DNA-Technologie (Neukombination von Genen). 2000 Das staatlich finanzierte Human Genome Project (USA) gibt im Mai - zusammen mit der amerikanischen Privatfirma Celera Genomics von Craig Venter - die Entzifferung des menschlichen Genoms bekannt, das heisst die genaue Reihenfolge vieler Millionen von Bausteinen auf den 23 Chromosomenpaaren.
Bildquellen: rochemagazin 66/2000; ISSA Prevention Series No. 2016/1995


Anwendungen mit Alltagskonsequenzen
NOBELPREISE mit Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen........-----> Website dazu
Seit 100 Jahren wird einer der prestigeträchtigsten Preise verliehen: Die Nobelpreise zeichnen alljährlich vor allem die herausragendsten Leistungen in der Naturwissenschaftsforschung (Medizin/Biologie, Chemie und Physik) aus.
In den Bereichen Medizin und Biochemie wurden hauptsächlich erforscht: Bakteriologie (Mikrobiologie), Vitamine, Antibiotika, Hormone, Stoffwechsel, Zellen, Synapsen, Immunabwehr, medikamentöse Substanzen und Krebs.
1901
1905
1908
Bakteriologie (heute: medizinische Mikrobiologie)
In seinen Studien im vorletzten Jahrhundert schrieb der Wissenschafter Louis Pasteur den Mikroorganismen die Verantwortung für zahlreiche Krankheiten zu, die damals weltweit hohe Opferzahlen forderten. Allein die Tuberkulose raffte ein Siebtel der Bevölkerung dahin. Deshalb waren seinerezeit die medizinischen Institutionen auf der Suche nach Impfstoffen, die deren schädlichen Auswirkungen eindämmen sollten.
Der erste Medizin-Nobelpreis ging denn 1901 an den deutschen Arzt Emil Adolph von Behring für seine Entdeckung des ersten Impfstoffs gegen Diphtherie.
Seinem Landsmann Robert Koch (1905 Medizin-Nobelpreisträger) gelang es, den Tuberkulosebazillus zu indentifizieren.
Paul Ehrlich, ein weiterer deutscher Mikrobiologe, dem der Medizin-Nobelpreis 1908 für seine Arbeiten über die Immunität verliehen wurde, war diesem Bazillus dank eines Farbstoffs, des Fuchsins, auf die Spur gekommen.
 1936 Synapsen und Arzneimittel
Mit der Erforschung der Synapsen erkannten die Biologen die Bedeutung der Wirkung chemischer Substanzen auf die Funktionen des Nervensystems. Zu den bekanntesten Wirkstoffen zählen die sog. Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) Azetylcholin und das Noradrenalin. Ersteres wurde von dem britischen Pharmakologen Henry Dale (Medizin-Nobelpreis 1936) entdeckt. Der britische Physiologe Bernard Katz seinerseits konnte aufzeigen, dass diese in den Synapsenspalten, den winzigen Lücken zwischen zwei hintereinander liegenden Neuronen) in Form von "Quanten" genanten Päckchen abgesondert werden. Julius Axelrod gelang durch das Studium des Noradrenalins die Entdeckung der ersten Antidepressiva und ihrer Wirkungsweise. Katz und Axelrod erhielten 1970 den Medizin-Nobelpteis. Die Arbeiten aller drei genannten Preisträger führten zu der Entdeckung vieler weiterer chemischer Substanzen, die Nervenimpulse freisetzen (Neurotransmitter). Das vertiefte Studium ihrer Wirkungsweise führte zu enormen Fortschritten im Verständnis von Hirnvorgängen, die aber immer noch zu den grössten Herausforderungen der Forschung zählen.
1919
1972
1980
1984
1996		 Immunabwehr
Die Forschungsarbeiten über Immunbiologie wurden oft mit Preisen ausgezeichnet, was angesichts der Bedeutung kaum verwunderlich ist. Neben der Entwicklung von Impfstoffen sind folgende Arbeiten besonders hervorzuheben:
Jules Bordet (Belgien, 1919 Medizinnobelpreis) für die Entdeckung des Komplementsystems
Gerald Edelmann, Rodney Porter (USA, 1972) für ihre Entdeckung der Antikörperstruktur.
Cesar Milstein (Argentinien) und Georges Köhler (BRD, 1984) für die Herstellung monoklonaler Antikörper.
Jean Dausset (Frankreich), Georges Snell (USA), Baruj Benacerraf (Argentinien, 1980) für das Erkennen gewisser Antigene: diese ermöglichten Organtransplantationen von einer Person an eine andere.
Noch aktueller sind die Arbeiten des Schweizers Rolf Zinkernagel und des Amerikaners Paul Doherty: sie erhielten 1996 den Medizin-Nobelpreis für die Darstellung des Mechanismus, der gewissen Lymphozyten die Zerstörung ihrer Angriffsziele, z.B. Krebszellen, ermöglicht.		 1939 Medikamentöse Substanzen
Auf die Suche nach chemischen Substanzen, die Krankheiten zu heilen vermögen, machten sich nach den Mikrobiologen auch der deutsche Pathologe Gerhard Domagk (Medizin-Nobelpreis 1939) und der Schweizer Arzt Daniel Bovet (Medizin-Nobelpreis 1957). Ersterer erhielt die Auszeichnung für die Entdeckung von Protonsil (wirkungsvolles Bakterizid), letzterer für den Nachweis, dass dessen antibakterielle Wirkung auf einer vom Molekül getragenen chemischen Zusammensetzung des Typs Sulfonamid beruht. Im Bereich der chemotherapeutischen Susbtanzen taucht auch der Name des Schweizer Chemikers Paul Hermann Müller auf (Medizin-Nobelpreis 1948); sein Name stand im Schatten des von ihm synthetisierten Produkts, das unter dem Namen DDT bekannt war. Seine Wirkung wurde in der Landwirtschaft und der Präventivmedizin (Bekämpfung des Malariaüberträgers, der Tse-Tse-Mücke) gleichermassen geschätzt (allerdings zeigten sich später unrewünschte Nebenwirkungen in den Nahrungsketten. die dann zu seinem Einsatzverbot führten).
In der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts machten die drei Medizin-Nobelpreisträger von 1988 - der Brite James Black, die amerikanische Pharmakologin Gertrude Elion und ihr Mitarbeiter George Hitchings - bahnbrechende Entdeckungen: Sie erfanden Medikamentenmoleküle wie das Merkaptopurin-6, eine Zusammensetzung, die - indem sie die Struktur eines Bestandteils der Desoxyribonukleinsäure (der berühmten DNS) imitierte - bei kindlicher Leukämie wirkt. Eines seiner Derivate ist das Azydothymidin oder AZT, ein Medikament, das bei erworbenen Immundefekten (AIDS) angewendet wird. James Black erfand den Betablocker Propanolol, der die in Stresssituationen ausgesandten Katecholamine imitiert und Angina pectoris lindert.
1922
1929
1931
1953
1970
1978
1997		 Stoffwechsel
Die ersten Forschungsarbeiten der Nobelpreisträger aus dieser Sparte beruhten hauptsächlich aus dem Verständnis von Gärungsvorgängen und der Entdeckung der Enzyme und Coenzyme. Ausgezeichnet wurden der deutsch-amerikanische Biochemiker Otto Meyerhof (1922 Medizin-Nobelpreis), der britische Biochemiker Arthur Harden (1929 Chemie-Nobelpreis) und Ulf Svante von Euler (1970, Medizin-Nobelpreis). Ferner entdeckte Adolf Krebs, britischer Biochemiker deutscher Herkunft, die bei allen Zellen gleich verlaufende zentralen Stoffwechseldrehscheibe, den Citronensäurezyklus.
Die Entdeckung der Mittel, die die Zellen zur Durchführung ihrer Oxidationen anwenden, machten Otto Warburg (1931 Medizin-Nobelpreis) sowie der deutsche Biochemiker Fritz Lipmann (gleichzeitig mit Krebs Medizin-Nobelpreis 1953). Aus dieser Entdeckung konnte gefolgert werden, dass alle Zellen Adenosintriphosphat (ATP) als Energieträger zur Erzeugung von Energie verwenden. Der britische Biochemiker Peter Mitchell (1978 Chemie-Nobelpreis) und der Amerikaner Paul Boyer (1997 Chemie-Nobelpreis) entschlüsselten den Mechanismus der ATP-Synthese (Protonentransfer via Membran, ATP-Synthetase).		 1945 Die Antibiotika
Auch bei diesen Substanzen, die oft durch Schimmel entstehen und auf das Leben von Mikroorganismen einwirken, stand der Zufall am Anfang der Entdeckung. In dieser Domäne glänzt der Name des schottischen Mikrobiologen Alexander Fleming, der 1928 herausfand, dass eine dieser Substanzen aus dem Schimmelpilz Penicillium notatum das Wachstum der Bakterien verhindern konnte. Der deutsche Arzt Ernst Boris Chain entdeckte, dass die durch den Schimmel entstandene Substanz (er nannte sie Penicillin) die Bakterienwände aufbrach und somit die Bakterien am Wachstum hinderte. Der australische Pathologe Howard Florey liess das Antibioticum während des 2. Weltkrieges in grossem Massstab herstellen. Fleming, Chain und Florey wurden für ihr Schaffen 1945 mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichnet. Die Entdeckung dieses ersten Antibiotikums löste eine unglaubliche Forschungseuphorie für diese Art Moleküle aus, deren Wirkung auf die Gesundheit heute niemandem mehr ein Geheimnis ist. Eine weitere Koryphäe auf dem Gebiet der Antibiotika war Selman Abraham Waksman (Medizin-Nobelpreis 1952), Entdecker des Streptomycins, der ersten bekannten Substanz, die bei Tuberkulose wirkt.
1923
1950		 Hormone
Die Verleihung von Nobelpreisen über die Hormone beginnt bei Frederick Banting (1923 Medizin-Nobelpreis) für die Entdeckung des Insulins, des Hormons gegen Diabetes). Die Anwendung von Insulin bei Diabetikern gehört zu den bahnbrechenden Fortschritten in der Medizin des 20. Jahrhunderts. Ab der Hälfte des 19. Jahrhunderts begeisterte man sich für diese Art von Substanzen; sie schienen im Hintergrund des Organismus zu wirken, und ihre Bedeutung lag, so wurde angenommen, in der Koordination seiner Abläufe. Bereits 1905 hatte man Adrenalin im Innern der Nebenniere entdeckt und diesem Organ die Anregung des Glukosestoffechsels bei körperlicher Aktivität oder Stress zugeschrieben. Später wurden noch weitere Hormone, allesamt Cholesterinderivate, diesmal in der Nebennierenrinde. Der Nebenniere entnahmen ab 1935 der amerikanische Physiologe Edward Kendall und der Schweizer Arzt Tadeus Reichstein eine Vielzahl von Aktivsubstanzen (insgesamt über 20), darunter auch das Kortison, das heute oft bei Entzündungen verwendet wird. Der amerikanische Arzt Philip Showalter Hench führte die Anwendung von Kortison in der Behandlung von Entzündungen weltweit ein. Alle drei Wissenschafter wurden 1960 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.		 1974 Die lebende Zellen
1974 wurden die Belgier Albert Claude und Christian de Duve sowie der Rumäne George Palade (alle drei Medizin-Nobelpreisträger 1974) für ihre Enthüllungen der Zell-Ultrastrukturen ausgezeichnet.Als häufigste Arbeitswerkzeuge dienten die Elektronenmikroskopie und die Hochgeschwindigkeits-Ultrazentrifugation. Dank ihnen kann man heute in allen menschlichen, tierischen und pflanzlichen Zellen die Mitochondrien (energieproduzierende Organellen), die Lysosomen und die Peroxisomen (an diversen "Verdauungsprozessen" innerhalb der Zellen beteiligt) sowie innere Membranen (Sitz der Proteinproduktion) erkennen. Ein weiterer Bestandteil der (pflanzlichen) Zelle ist der Chloroplast, welcher die Photosynthese sicherstellt, den durch Lichtwirkung entstehenden Aufbau organischer Verbindungen (Kohlenhydrate wie Traubenzucker, Stärke u.a.) in Grünpflanzen.
1929 Vitamine
In der wissenschaftlichen Forschung steht oft der Zufall am Anfang wichtiger Entdeckungen. Dies war auch beim Vitamin B1 der Fall. Es wurde entdeckt, als man Hühnern, mit denen der holländische Arzt Christiaan Eijkman experimentierte. zufällig geschälten Reis fütterte. So erfuhr die medizinische Welt, dass die Schale des Reises eine Substanz enthielt, die für das gute Funktionieren der Organismen unentbehrlich ist. Später wurden noch rund 10 solcher Substanzen entdeckt. Die berühmteste darunter ist zweifellos das Vitamin C, bei dem man herausfand, dass ein Mangel unter anderem zu Skorbut führen konnte. Der britische Biochemiker Frederick Hopkins (wie Eijkman Medizin-Nobelpreisträger 1929) hob die Vitamine in den Himmel, von denen man heute weiss, dass sie in den meisten Fällen am Aufbau der Coenzyme beteiligt sind, jener Substanzen, die eng mit den Enzymen zusammenarbeiten, von denen die meisten ohne Coenzyme nicht funktionieren könnten.		 1974 Der Krebs
Seit fast hundert Jahren steht der Krebs in vielen Labors der ganzen Welt im Zentrum der Forschungsbemühungen. In der näheren Vergangenheit war er das Objekt von Studien, die aufgezeigt haben, dass sich viele Krebsarten offenbar wegen einer Fehlfunktion von Proteinen, die gewöhnlich am Zellwachstum beteiligt sind, ausbreiten. Den Nachweis dafür erbrachten im Laufe der 80er Jahre die amerikanischen Biologen Harold Varmus und Michael Bishop (beide Medizin-Nobelpreisträger 1989). Sie zeigten überdies auf, dass diese Fehlfunktionen auf Mutationen beruhen, die sich in den Genen kumulieren, welche diese Proteine kodieren. Solche Entdeckungen sind epochale Ereignisse, da gewisse Krebsarten nun erstmals von Molekularbiologen präzise erforscht werden können. Damit wächst die Hoffnung, sie dereinst heilen zu können.
Quellen: optima, Jan. 2001/

"Heisse Themen" der Biologie
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