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SZ-Serie: Gut ausgedacht, Folge 8:Schnipseljagd

Die Biophysiker Johannes B. Woehrstein und Heinrich Grabmayr entwickeln ein Instrument, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die genetische Information einzelner Zellen schnell zu analysieren, zum Beispiel zur Tumor-Behandlung

Von Hubert Grundner

Wann ist mit einem Impfstoff gegen das Coronavirus zu rechnen? Lässt sich der Alterungsprozess eines Menschen beeinflussen? Kann man Krebsmedikamente entwickeln, maßgeschneidert für jeden Patienten, die einen Tumor effektiv bekämpfen, ansonsten aber das Immunsystem bestmöglich schonen? Fragen wie diese beschäftigen derzeit Heerscharen von Wissenschaftlern weltweit. Auch Johannes B. Woehrstein und Heinrich Grabmayr werden bei ihrer Forschungsarbeit von solchen Gedanken angetrieben. Sie hoffen, dass eine von ihnen stammende Erfindung auf die eine oder andere Frage bald eine Antwort geben kann.

Dem Klischee vom Wissenschaftler als einem eher blassen, scheuen Nerd entsprechen Johannes B. Woehrstein und Heinrich Grabmayr schon mal nicht. Sie sehen eher aus, als wären sie kurz vor dem Treffen noch beim Joggen im Englischen Garten oder im Fitnessstudio gewesen. Jedenfalls begrüßen sie ihren Besucher sehr relaxed und mit großer Herzlichkeit. Und vom ersten Moment der Begegnung an strahlen sie einen ansteckenden Optimismus aus, der einen unwillkürlich denken lässt: Da sind zwei Menschen gerade sehr im Reinen mit sich und der Welt. Was viel mit ihrer Arbeit zu tun haben dürfte: Der 32-jährige Woehrstein und der 36-jährige Grabmayr sind Biophysiker. Gemeinsam mit fünf weiteren Wissenschaftlern, zwei Ingenieuren, einem Techniker und einigen Studierenden arbeiten sie in drei Laboren der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) an ihrer Erfindung. Eine Erfindung, welche die Forschung an lebenden Organismen extrem beflügeln könnte, da sie es ermöglicht, die Genaktivität selbst einzelner Zellen relativ einfach zu beobachten.

Gute Zusammenarbeit: Johannes B. Woehrstein (links) und Heinrich Grabmayr kennen sich seit zehn Jahren.

(Foto: Robert Haas)

Woehrstein, geboren in Böblingen, und Grabmayr, geboren in Heidelberg, haben sich, wie sie erzählen, vor circa zehn Jahren kennengelernt. Allerdings nicht in Baden-Württemberg, sondern in München. Beide studierten Biophysik an der Technischen Universität, dort erwarb Grabmayr auch seinen Doktortitel, während Woehrstein an der LMU promovierte. Nächste Parallele in ihren wissenschaftlichen Karrieren war der Besuch amerikanischer Elite-Hochschulen: Woehrstein forschte für circa drei Jahre in Harvard, Grabmayr arbeitete vergleichbar lange in Princeton. In dieser Zeit hielten sie aber immer den Kontakt aufrecht. Denn sie hatten, wie sie erzählen, schnell gemerkt, dass sie nicht nur die Leidenschaft für Sport teilen - Grabmayr mag jede Art von Bergsport, Woehrstein trainiert Triathlon -, sondern dass sich auch ihre Vorstellungen vom Berufsleben ziemlich decken. "Wir haben uns während der Forschungsarbeit kennengelernt", erinnert sich Grabmayr. Dabei hätten sie gemerkt, dass ihnen die gemeinsame Arbeit großen Spaß macht. Woehrstein fügt hinzu: "Wir wollten keine Professur anstreben, falls wir denn berufen worden wären, und nur noch in wissenschaftlichen Fachorganen publizieren, sondern wir wollten in die Forschung gehen, wir wollten ganz konkrete Projekte vorantreiben."

Am Beginn ihrer Kooperation stand deshalb die Überlegung, wo sie über genügend Expertise verfügen, damit ihre Forschungsarbeit tatsächlich Erfolg verspricht. Schließlich definierten sie drei Arbeitsfelder: Da waren zum einen die Nanopartikel, die Johannes B. Woehrstein beisteuern konnte beziehungsweise seine Erfindung, wie sich mit Nanopartikeln unterschiedliche Genabschnitte unterschiedlich färben lassen. Zum anderen sind die beiden Biophysiker bestens bewandert auf dem Gebiet der Mikrofluidik. Diese beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum, wie zum Beispiel in Zellen. Schließlich konzentrierten sie sich noch auf die sogenannte Einzelmolekül-Mikroskopie, das Fachgebiet von Heinrich Grabmayr, eines ausgewiesenen Spezialisten für den Bau solcher Instrumente.

Die Erfindung der Biophysiker besteht vorwiegend aus Nanopartikeln zum Einfärben von DNA-Proben, Träger-Kartuschen und einem speziellen Lichtmikroskop

(Foto: Robert Haas)

Dabei war Woehrstein nach eigenen Angaben eines sehr bald schon klar: Wenn man angewandte Wissenschaft betreiben wolle, müsse man diese kommerzialisieren. Als er und Grabmayr also 2015 "DEOXY" starteten, taten sie es in der Absicht, aus dem anfänglichen Projekt auf längere Sicht eine Firma zu machen. DEOXY steht dabei für den englischen Begriff "deoxyribonucleic acid", also für die Desoxyribonukleinsäure (Infokasten). Ihr Anspruch an sich und ihr Produkt, das im Wesentlichen aus den Nanopartikeln zum Einfärben von DNA-Proben, aus Kartuschen als Trägern dieser Proben sowie einem speziell für diesen Zweck umgebauten Lichtmikroskop besteht: "Andere Wissenschaftler", sagt Woehrstein, "sollen unser Instrument einfach nehmen und bedienen können, um ihrerseits damit zu forschen." Ihre Aufgabenstellung lautete also, eine Technologie zu entwickeln, die es ermöglicht, viele tausend Zellen auf einmal innerhalb kurzer Zeit zu analysieren. Das heißt, man soll im Idealfall den Phänotyp jeder einzelnen Zelle bestimmen können sowie die genetische Information, die sie trägt. Dieser entscheidende Entwicklungsschritt ist dem DEOXY-Team inzwischen gelungen. Dazu gehört ein eigens entwickeltes bildgebendes Verfahren, das es erlaubt, das Ergebnis einer solchen Beprobung auf einem Computerbildschirm sichtbar zu machen.

Damit aber eröffnet sich ein enorm breites Anwendungsspektrum. Zum Beispiel könnte man in einer Tumorprobe die verschiedenen Zellen sowie deren genetische Profile bestimmen. Das wiederum könnte Rückschlüsse darauf ermöglichen, ob oder wie unterschiedlich diese Zellen jeweils auf ein Medikament reagieren. Ähnliche Einsatzmöglichkeiten ihrer Erfindung erhoffen sich Grabmayr und Woehrstein aber noch in vielen anderen Bereichen, etwa der Erforschung des Alterungsprozesses, des Epstein-Barr-Virus oder in der Immunologie.

Die Basis der Gene

DEOXY steht für den englischen Begriff "deoxyribonucleic acid", also für die Desoxyribonukleinsäure. Die setzt sich als Polynukleotid wiederum aus einer langen Kette von Nukleotiden zusammen. Das so geformte Biomolekül findet sich in den Chromosomen und ist bei allen Lebewesen sowie bei vielen Viren der Träger der Erbinformation, also die materielle Basis der Gene. Als weitere Information zu dem Thema heißt es in der Internet-Enzyklopädie: Im Normalzustand ist DNA in Form einer Doppelhelix aufgebaut. Ihre Bausteine sind vier verschiedene Nukleotide, die jeweils aus einem Phosphatrest, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier organischen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, oft abgekürzt mit A, T, G und C) bestehen.

Die Gene in der DNA enthalten die Information für die Herstellung der Ribonukleinsäuren (RNA, im Deutschen auch RNS). Bei protein-codierenden Genen ist dies eine wichtige RNA-Gruppe, die mRNA (englisch messenger RNA). Sie enthält wiederum die Information für den Bau der Proteine (Eiweiße), welche für die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. gru

Ihre Erfindung verbinden die Biophysiker aber noch mit einer weiteren Vision: Sie könnte später einmal dazu beitragen, die medizinische Diagnostik zu standardisieren. Das heißt im Erfolgsfall, es würden nicht nur Wissenschaftler vom Einsatz der Nanopartikel profitieren, sondern möglicherweise auch Haus- und Klinikärzte, wenn es beispielsweise darum geht, Blutproben zu bewerten.

Hatte anfangs das bayerische Wirtschaftsministerium das Projekt DEOXY finanziell gefördert, ist inzwischen das Bundesforschungsministerium an dessen Stelle getreten. "GO-Bio" heißt das entsprechende Programm und steht für "Gründungsoffensive Biotechnologie". Bis Mitte 2021 ist damit die Finanzierung des Start-ups gesichert. Und bis dahin, da sind Grabmayr und Woehrstein sehr zuversichtlich, wird ihr Projekt zu einem glücklichen Ende gefunden haben. Aktuell beschäftigen sie sich deshalb auch intensiv mit der Firmengründung, beraten sich mit Patentanwälten, suchen Investoren und verhandeln mit der LMU, in welchem Umfang die Universität von ihrer Erfindung profitiert. Falls alles von Erfolg gekrönt sein sollte, könnte für die zwei jungen Biophysiker ein anderes Problem auftauchen: Für Bergwanderungen und Triathlon-Wettkämpfe dürfte künftig weniger Zeit bleiben.

© SZ vom 21.09.2020

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