AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 15/2018

Genetik-Punk George Church Der Mann, der sein Gehirn vermehrt

Der Gen-Ingenieur und Harvard-Forscher George Church mischt die Fachwelt auf. Einige halten ihn für genial, andere für skrupellos. Sicher ist: Ihm ist keine Idee zu kühn. Ein Laborbesuch.

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George Church hat viele Gehirne. Eines davon besteht, wie dasjenige anderer Menschen, aus rund 86 Milliarden komplex vernetzten Nervenzellen - nur mit dem Unterschied, dass dem Geplauder dieser Neuronen besonders ungewöhnliche Gedanken entspringen. Church, 63, ist der vielleicht originellste Genforscher der Welt.

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Heft 15/2018
Wie die Zucker-Lobby uns belügt und verführt

Seine anderen Gehirne sind kleiner. Sie wachsen im Inkubator bis auf Linsengröße heran, dann enthalten sie ungefähr eine Million Neuronen. Bei diesen Minigehirnen, sogenannten Organoiden, handelt es sich um Nervenzellgewebe, und es besteht, wie sein erstes Gehirn, aus Churchs Zellen. Er formuliert das so: "Sie stammen von unserem Versuchskaninchen Nummer eins, und das bin ich."

Dass beim Experimentieren die Stammzellen des Laborleiters verwendet werden, passt zur unorthodoxen Vorgehensweise von Churchs Arbeitsgruppe an der Harvard-Universität. Nichts geschieht hier so wie in anderen Labors. Auch nicht die Herstellung von Organoiden.

Zwar päppeln viele Biologen weltweit Stammzellen, um sie dazu zu bewegen, sich in winzige Leber-, Darm- oder Gehirn-Organoide zu verwandeln. Ungewöhnlich an Churchs Organzucht jedoch ist, dass er in dieser Kunst eigentlich gar kein Know-how mitbringt. Sein Terrain sind die Genetik und die Genomforschung. Die Züchtung von Organoiden dagegen wird normalerweise von Stammzellforschern oder Gewebe-Ingenieuren betrieben. Doch Church ignoriert solche Grenzen zwischen Fachdisziplinen.

Als Genetiker befasst er sich mit der Erbsubstanz DNA, und die, davon ist er überzeugt, liefert ihm alles, was er braucht, um Lebendiges nach Gutdünken zu steuern, zu gestalten, zu dirigieren - ganz gleich, ob es sich um Zellen, um Organe oder ganze Organismen handelt. "Die Biologie erlebt eine unerhört dynamische Zeit", sagt er. Neue Techniken hätten dazu geführt, dass dem Möglichen kaum Grenzen gesetzt seien, man müsse es nur ausprobieren.

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Alex Ng ist im Church-Labor zuständig für die Herstellung von Organoiden, und er bringt seine Methode auf eine kurze Formel: "Ich mache das Gleiche wie die Stammzellforscher, nur mit Doping." Er ist stolz darauf, etwas hingekriegt zu haben, woran alle Experten bisher gescheitert sind: Minigehirne mit Blutgefäßen zu züchten.

Ng wich dazu grundlegend von der üblichen Prozedur der Zellzüchter ab. Die versuchen normalerweise, den Werdegang der Stammzellen mithilfe eines fein austarierten Cocktails von Signalstoffen zu dirigieren, die sie der Nährflüssigkeit beigeben. Auf diese Weise können sie einige der Zellen dazu bewegen, Blutgefäße auszubilden, während sich andere zu Neuronen entwickeln. Das Problem jedoch: Die Zellen weigern sich, beide Zelltypen gleichzeitig hervorzubringen. "Blutgefäß- und Nervenzellen verhalten sich, wenn man sie züchtet, wie Öl und Wasser", sagt Ng.

Er ging deshalb anders vor: "Wir geben den Zellen die Befehle nicht nur von außen, sondern auch von innen", erklärt er. Er baute ihnen ihr Schicksal gleichsam ins Erbgut ein: In einige Zellen schleuste er Steuergene, die sie auf den Entwicklungspfad der Blutgefäße lenkten, den anderen schrieb er den Werdegang des Neurons ins Erbgut. Gehorsam folgten die Zellen seinen Instruktionen, heraus kam ein von Blutgefäßen durchzogenes Hirn-Organoid.

Hier zeigt sich die enorme Wirkmacht einer neuen Herangehensweise. Denn Ng kann auf eine Bibliothek zurückgreifen, in der er sämtliche genetischen Steuerbefehle zusammengestellt hat, die er im menschlichen Erbgut finden konnte: insgesamt rund 1600 Schalter; etwa 200 davon, so schätzt er, dienen dazu, die Reifung der Zellen zu den verschiedenen Zelltypen zu dirigieren.

Diese Bibliothek gleicht einem Schaltpult, das es ihm ermöglicht, ins Stellwerk der zellulären Entwicklung einzugreifen. Zellen, die sich nach Wunsch programmieren lassen, Biologie als unermesslich große Spielwiese für Gen-Ingenieure - das ist die große Vision.

Zusammen mit einer Kollegin hat Ng schon den nächsten Schritt ins Auge gefasst: Sie wollen einige der Zellen in Spezialzellen verwandeln, die im Gehirn Myelinschichten bilden. Diese könnten dann die Erregungsleitungen der Neuronen des Minigehirns elektrisch isolieren. Stück für Stück sollen so die kleinen Gebilde in Churchs Labor dem Original in seinem Schädel immer ähnlicher werden. Ob sie irgendwann auch anfangen zu denken?

Wild durcheinander wird in Churchs Labor Stammzell- und Entwicklungsbiologie betrieben, Bioinformatik und Genomwissenschaft, Neurobiologie, Immunologie und Genetik. Was eigentlich sein Fachgebiet sei? "Die Entwicklung bahnbrechender Technologien", sagt er. Und er hat auch eine einfache Definition dessen, was er darunter versteht: "Jeder hier arbeitet an etwas, was andere für unmöglich halten."

Es gehört Mut dazu, sich auf einen Job mit einem solchen Leitgedanken einzulassen. Entsprechend mulmig war Seth Shipman anfangs zumute: "Ein sehr großer Schritt für mich", sagt er.

Shipman hatte zuvor als Entwicklungsbiologe in Kalifornien geforscht. Aufgabe dieses Forschungsfelds ist es herauszufinden, wie sich im Embryo die Organe bilden. Und: Woher weiß die einzelne Zelle eigentlich, welche Rolle ihr im Organismus zugedacht ist?

Bei Church bewarb Shipman sich, weil er dessen überdrüssig war, seine Versuchstiere immer töten zu müssen. Und selbst wenn er dann den aufgeschnittenen Organismus vor sich hatte, konnte er immer nur einen einzelnen Entwicklungsschritt untersuchen. Wie die Entwicklung des Embryos weitergehen würde, das konnte er anhand dieses Tieres nicht mehr verfolgen. Dazu musste er das nächste heranzüchten, dann töten und sezieren.

Wäre es nicht viel besser, fragte sich Shipman, wenn die Zellen über jeden Entwicklungsschritt Buch führten? Dann könnte er am Ende das Protokoll auslesen und anhand eines einzigen ausgewachsenen Tieres dessen gesamte Entwicklungsgeschichte nachvollziehen.

Das ist eine Idee ganz nach dem Geschmack von George Church. Das Erbmolekül DNA ist in seinen Augen ohnehin nichts anderes als dicht gepackte, hochkomprimierte Information. Church hat schon 2012 ein ganzes Buch samt Illustrationen auf DNA abgespeichert, indem er es in der Kette der vier verschiedenen Basen codierte, aus denen das Erbmolekül besteht. Da würde es doch gewiss auch möglich sein, Zellen dazu zu bewegen, ihre Entstehungsgeschichte aufzuschreiben.

Zusammen machten sich Shipman und Church ans Werk und tüftelten eine Methode aus, wie die Vision Wirklichkeit werden könnte. Sie beschlossen, die Fähigkeit von Bakterien zu nutzen, sich Infektionen zu merken. Die Mikroben nämlich bauen, wann immer sie von einem Virus befallen werden, kleine Stücke von dessen DNA ins eigene Erbgut ein. Shipman begriff, dass die Bakterien damit im Grunde nichts anderes tun, als die eigene Infektionsgeschichte zu protokollieren: Sie speichern, schön zeitlich geordnet, jede Virenattacke ab.

Der Forscher hat also das Aufzeichnungsgerät gefunden, das er braucht. Er muss es jetzt nur noch in Säugetierzellen transferieren und diese dann dazu bringen, dass sie nicht Infektionen, sondern Entwicklungsschritte in ihrem Erbgut aufzeichnen.

Viele Forscher würden einen solchen Plan als Fantasterei verwerfen. Shipman jedoch lässt sich von den Schwierigkeiten nicht schrecken. Er hat sich die Philosophie des Church-Labors zu eigen gemacht: "Wenn wir schon Mühe und Zeit in die Verwirklichung einer Idee stecken, dann wählen wir doch am besten die kühnste von allen", sagt er.

Hirn-Organoide zu bauen oder die Entwicklung der Zellen zu rekonstruieren - in jedem anderen Labor sind solche Ansätze Großprojekte, an denen Dutzende Jungforscher werkeln. Church hält nichts von großen Teams. "Einer allein ist zu wenig", sagt er. "Mehr als drei sind zu viel."

Bei ihm darf jeder auf eigene Faust an der Verwirklichung seiner Ideen basteln. Zweimal wöchentlich sind alle 86 Mitglieder des Labors zum Seminar eingeladen, um sich auszutauschen.

Da erzählt dann der eine, wie weit er auf der Suche nach einem Jungbrunnen gekommen ist. Er will Versuchstiere durch einen Cocktail aus Genen verjüngen und rührt dazu allerlei Erbanlagen zusammen, die Altersleiden wie Herzschwäche oder Diabetes lindern sollen.

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Ein anderer hat sich vorgenommen, die Wirkkraft von Gentherapien zu steigern. Er will die Fähren, mit denen die Ärzte heilbringende Gene in den Körper schleusen wollen, mit einer molekularen Tarnkappe versehen, die sie fürs Immunsystem unsichtbar macht.

Gewiss, gibt Church zu, diese Ideen muteten verwegen an. Und natürlich werde manch ein Vorhaben scheitern; erstaunlich viele jedoch gelängen am Ende. "Ich habe es mir angewöhnt, nichts für unmöglich zu halten, solange es nicht den Gesetzen der Physik widerspricht", sagt Church.

Viele der Regeln, die in anderen Labors gelten, sind hier auf den Kopf gestellt. Statt sich lange mit den weltweit üblichen Modelltieren Fadenwurm, Fruchtfliege oder Maus aufzuhalten, erproben die Wissenschaftler im Church-Labor ihre Ideen gleich an menschlichen Zellen. Statt sich auf ein Thema zu konzentrieren, nehmen sie sich am liebsten gleich mehrere vor. Und statt ethische Probleme zu meiden, geht Church sie frontal an.

"Manche werfen mir vor, ich scherte mich nicht um Ethik", erzählt er. "Aber das stimmt nicht." Nur dass er eben überzeugt sei, dass es zu jedem Problem auch eine Lösung gebe. "Wir sind hier ganz vorn in der Forschung", sagt er, allein deshalb schon seien sie oft die Ersten, die auf neue ethische Herausforderungen träfen.

Indem Church die Konfliktpunkte benennt, provoziert er. So warf er die Frage auf, ob eine Neuerschaffung des Neandertalers wünschenswert sei. Er warnte vor den Risiken, die gezielte Eingriffe in die Evolution mit sich bringen könnten. Und er hat den ethischen Status von "künstlichen menschlichen Gebilden mit embryoähnlichen Eigenschaften" zur Debatte gestellt.

Church liebt es aufzumischen. In der Fachwelt finden viele, er gehe zu weit. Doch da sie um seine vergangenen Erfolge wissen, zögern sie, seine zukünftigen Vorhaben, so aberwitzig sie auch klingen, für abwegig zu erklären.

Das Mammut wieder zum Leben zu erwecken ist nur der bekannteste, nicht der verrückteste seiner Pläne. Zusammen mit einigen Mitstreitern hat Church kürzlich ein Konsortium ins Leben gerufen, das die Voraussetzung dafür schaffen will, das gesamte Erbgut des Menschen künstlich herstellen zu können. Er plant, das Netz der Nervenzellen im Gehirn zu kartieren. Und er will Schweine zu Organspendern für menschliche Patienten machen. Er hat sämtliche Viren-DNA im Erbgut der Tiere deaktiviert. Dazu musste er an 62 Stellen auf einmal ihr Genom verändern - selbstredend Weltrekord.

"Ich kann selbst kaum glauben, dass einer wie ich im Wissenschaftsbetrieb überlebt hat", sagt Joe Davis. Was auch immer man von ihm halten mag, eines ist sicher: Davis ist ein Unikum im Church-Labor, nicht nur, weil er eine Beinprothese wie ein Piratenkapitän hat, auf der er manchmal übermütig Pirouetten dreht, und weil er mehr als doppelt so alt ist wie der Durchschnitt der hier forschenden Wissenschaftler.

Davis redet viel und schnell, seine Gedanken überstürzen sich, ohne Pause springt er von einem Gegenstand zum nächsten. An diesem Tag im Februar ist er gerade zurück aus Brasilien, in zwei Tagen geht es weiter, er hat eine Einladung nach Japan.

Aber die Zeit muss sein, seine Post auszupacken. Denn der Meteorit ist angekommen, auf den Davis sehnsüchtig gewartet hat. "Der ist kostbar", sagt er, während er behutsam den eisernen Trumm aus dem Karton hebt. Risikokapitalgeber hätten ihn bezahlt, sagt er: "Ich habe denen gesagt, dass so ein Stein enorm an Wert gewinnt, wenn ich Spuren außerirdischen Lebens darin finde."

Davis hat einen normalen Laborplatz in Churchs Institut, im Raum 232 arbeitet er Seite an Seite mit Doktoranden und Postdocs. Aber ist er wirklich ein Forscher? Ein Künstler? Eine Mischung aus beidem? Church hat ihn einmal einen Wissenschaftler genannt, der vorgibt, ein Künstler zu sein. Das hat ihm gefallen.

Es war nicht leicht für Joe Davis, sich durchzuschlagen. Zehn Jahre lang hat er Architektur unterrichtet, auch wenn er keinerlei formale Qualifikation dafür hatte. Dann nahm ihn ein Biophysiker am MIT unter seine Fittiche. Dort durfte er im Labor mitarbeiten, allerdings unentgeltlich. Wie er das Geld zum Leben zusammenbekommen hat, weiß er selbst nicht mehr.

Irgendwann kam der Anruf von George Church. Einer wie Davis, der fehlte ihm noch. Church bot ihm nicht nur einen Platz im Labor, sondern auch eine Halbtagsstelle.

Inzwischen hat sich Davis einen Namen gemacht, er kann sich vor Einladungen aus aller Welt kaum retten. Kürzlich sei er in Israel bei der Operation eines Nashorns dabei gewesen, erzählt er. Und in Jena haben sie ihm gerade angeboten, im Kulturzentrum Villa Rosenthal ein Jahr lang ein "Institut zur Vereinigung allen Wissens" zu betreiben.

Ja, er wolle das Wissen der Menschheit vermehren, sagt Davis. Das trage dazu bei, die Welt besser zu machen. Er habe zum Beispiel einen Ornithopter gebaut, ein vogelartiges Fluggerät, das mit elektrisch gereizten Froschschenkeln angetrieben wurde. Und er stellt mit dem 3-D-Drucker Plastikschablonen her, mit denen sich gleichmäßige Vielecke konstruieren lassen.

Davis' aktuelles Projekt ist die Zucht glücksbegabter Mäuse. Er hat eine Vorrichtung konstruiert, die es seinen Versuchstieren ermöglicht, Würfel zu werfen. Gezielt paart er nur diejenigen miteinander, die besonders viele Pasche würfeln. Schon Aristoteles habe gesagt, dass es Menschen gebe, denen Fortuna besonders gnädig sei. Wenn ihnen aber das Glück gleichsam in die Wiege gelegt sei, dann müsse es doch wohl an ihren Genen liegen. Diese Gene, sagt Davis, wolle er aufspüren.

Church findet offensichtlich Gefallen an dem Kauz; Davis genießt bei ihm Narrenfreiheit. Das mit den glücklichen Mäusen, sagt Church, habe er zwar noch nicht so richtig begriffen: "Aber das ist ganz gewiss meine Schuld. Am Ende kommt bei Joe eigentlich immer etwas Interessantes heraus."

eGenesis heißt das Unternehmen, das Church ins Leben gerufen hat, um die Organe genmanipulierter Schweine marktreif zu machen. Auch Editas Medicine hat er mitgegründet, mit dem Ziel, eine neuartige Form von Gentherapie zu entwickeln. Beide Firmen zählen zu den interessantesten der örtlichen Start-up-Szene. Für Church sind es nur zwei von vielen.

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An der Gründung von 23 Unternehmen war der Harvard-Forscher beteiligt. Ihre Namen finden sich auf seiner Website, gemeinsam mit denjenigen von mehr als 60 weiteren, für die er als Berater tätig ist. Church versteht sein Labor auch als Brutkasten, in dem Biotech-Start-ups gedeihen.

Im Moment ist es Dennis Grishin, der aufgeregt durch die Gänge läuft, weil er soeben seine eigene Firma gegründet hat. Er hat noch nicht einmal seine Doktorarbeit abgeschlossen, da will er sich schon daranmachen, den Markt der Genomsequenzierung aufzumischen.

Es dauert einen Moment, dann wird Grishins Deutsch wieder flüssig. Er ist in Russland geboren, kam dann als Elfjähriger mit seinen Eltern nach Berlin. Dort hat er die Schule besucht, dann in Freiburg studiert, um schließlich vor drei Jahren nach Amerika zu gehen.

Schon als er bei Church mit der Promotion anfing, stand für Grishin fest: Er wollte eine eigene Firma haben. Was für ein Start-up es sein würde, das wusste er noch nicht. Aber er war zuversichtlich - das würde sich schon finden.

"Nebula" war nicht seine einzige Idee, aber er fand, sie sei seine beste. Die Firma gründet sich auf die Einsicht, dass die Informationen, die im Erbgut eines jeden gespeichert sind, einen Wert darstellen. Pharmakonzerne haben ein großes Interesse daran, an solche Daten heranzukommen, besonders dann, wenn sie diese mit klinischen Werten verkoppeln können. Nun fragte sich Grishin: Wenn jeder Einzelne geldwerte Informationen in seinem Erbgut trägt, sollte er sie dann nicht auch verkaufen können?

Grishin recherchierte und stellte rasch fest, dass das größte Hindernis, das einem solchen Handel mit Gendaten im Wege steht, der Datenschutz ist. Kaum jemand zeigt sich bereit, seine intimen Daten der Pharmaindustrie zu überlassen. Die Angst vor Missbrauch ist groß. Der Jungforscher aus dem Church-Labor glaubt, einen Weg gefunden zu haben, wie er dieses Problem umschiffen kann.

Möglich macht dies die sogenannte Blockchain-Technik, jene bahnbrechende neue Form von verschlüsselter Datenspeicherung, die hinter der Kryptowährung Bitcoin steckt. Denn sie erlaubt den individuellen und trotzdem anonymen Datenaustausch.

Noch sind manche Einzelheiten des Geschäftsmodells unklar. Doch ungefähr so könnte es aussehen: Die Firma Nebula bietet Individuen einen Sequenzier-Service an und übermittelt ihnen die Daten. Eine Pharmafirma kann sich Zugang zu diesem Datenschatz erkaufen und dann zum Beispiel an die Träger bestimmter Genvarianten Fragebogen zu Gesundheitszustand oder Krankheitsgeschichte verschicken, zusammen mit einem Angebot, wie viel sie für die Antworten zu zahlen bereit ist. Selbst wenn sich der Kunde darauf einlässt, bleibt er anonym.

Natürlich weiß Grishin, dass er sich hier auf einen Markt mit unbekannten Gesetzen vortastet. Denn noch kennt niemand den genauen Wert der Ware.

Church ermutigt seinen Doktoranden, das Risiko einzugehen. Schließlich sei auch, als einst die Suchmaschine Google an den Start ging, unklar gewesen, wie viel Geld sich mit Kundendaten machen lasse. "Man muss radikal denken", sagt Church.

Wie soll man nennen, was Nili Ostrov macht? "Verleihung ultimativer Widerstandskräfte"? Oder schlicht: "Erschaffung künstlichen Lebens"? Die Molekularbiologin hat einen Fachbegriff dafür: "radikale Recodierung".

Vor rund vier Milliarden Jahren entstanden auf der Erde die ersten Lebensformen. Die Forscher wissen nicht viel über sie, doch eines ist ziemlich sicher: Diese ersten primitiven Mikroben kannten bereits denselben genetischen Code, den alle irdischen Organismen bis heute nutzen. In diesem Code ist festgelegt, wie die Erbinformation auf dem DNA-Molekül zu lesen ist.

Irgendwann beschloss Ostrov, dass sie gern wüsste, ob sich dieser Code abwandeln lässt. Mit anderen Worten: Sie nahm sich vor, die Sprache des Lebens zu ändern. Und ihr war klar: Wenn sie diesen Plan weiterverfolgen wollte, dann musste sie nach Harvard gehen, zu George Church.

Dort haben sie es schon vor viereinhalb Jahren geschafft, ein Element aus dem genetischen Code von E.-coli-Bakterien zu streichen. Ostrov heuerte bei Church an, um noch sechs weitere zu tilgen.

Sie weiß, dass dies ein sehr ehrgeiziges Vorhaben ist. Damals, als ihre Vorgänger die erste Änderung im Erbgut der Mikroben vornahmen, mussten sie es an 300 Stellen zugleich redigieren. Das war seinerzeit etwas, was niemand für möglich hielt.

Um jetzt ihr Ziel zu erreichen, sieben Elemente auf einmal aus dem Code zu entfernen, müsste Ostrov 62.000 Mutationen auf einmal einfügen. So etwas gilt heute als unmöglich. Und vielleicht ist genau das einer der Gründe dafür, dass sie es versucht.

Vor allem hofft Ostrov, mit ihrer Methode Zellen herstellen zu können, die resistent gegen jedwede Art von Viren sind. Denn das Wesen der Viren besteht darin, Zellen zu kapern, um sich deren zellulärer Maschinerie zu bedienen. Wenn aber der Code der Zelle abgewandelt ist, funktioniert das nicht länger. Denn die Zelle versteht die subversive Botschaft des Virus nicht mehr.

Das Problem: 62.000 Mutationen sind zu viele, als dass sie sich einzeln ins Erbgut einbauen ließen. Die Forscherin wird deshalb das gesamte Genom ihrer Bakterien Baustein für Baustein neu schreiben müssen - sie muss also künstliches Leben erschaffen.

Ostrovs Kollegin im Church-Labor arbeitet bereits an dem, was nach den virusresistenten Kunstbakterien kommt: Eriona Hysolli will nicht das Erbgut von Bakterien-, sondern von Säugetierzellen neu schreiben. Und weil es in ihren Augen Zeitverschwendung wäre, sich mit Mäusen oder Ratten aufzuhalten, probiert sie es am besten gleich an menschlichen Zellen. Mit dem Y-Chromosom hat sie schon angefangen.

Das, sagt Hysolli, sei natürlich viel schwieriger als der Eingriff beim Bakterium. Dafür locke ein umso größerer Lohn: Sie glaubt, dass sie irgendwann menschliche Blutstammzellen recodieren und auf diese Weise das Immunsystem von Menschen unempfänglich für Aidsviren machen kann.

Ethisch hält die Forscherin so etwas für unbedenklich. Schließlich wäre ein solches Verfahren nicht mit einem Eingriff in die Keimbahn verbunden. Irgendwann, in noch fernerer Zukunft, werde dann gewiss auch die Diskussion darüber beginnen, ob nicht sogar die Recodierung des menschlichen Erbguts als Ganzem sinnvoll sei. Es entstünde gleichsam ein neuer Typ Mensch, der resistent gegen jede Art von Viren wäre - ganz egal ob Schnupfen, Masern, Tollwut oder Herpes.

Aber ob dies wirklich wünschenswert wäre, diese Frage überlassen die Forscher im Church-Labor dann lieber doch den Moralphilosophen.



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