Biolumne

Das Immungedächtnis der Bakterien

Von Reinhard Renneberg , Innsbruck

Alle Welt ereifert sich über das chinesische CRISPR-Baby, aber wie kam es zu dieser Technologie? Das benutzte gentechnische Verfahren ist mit vollem wissenschaftlichen Namen immer noch ein Zungenbrecher: »Clustered regularly interspaced short palindromic repeats«.

Alles begann mit … Joghurt! Joghurt wird von Bakterien der Art Staphylococcus thermophilus aus Rohmilch produziert. Der dänische Hersteller Danisco hatte Produktionsengpässe. Denn seine Joghurtbakterien waren von Viren befallen worden: sogenannten Bakteriophagen. Soweit nichts Besonderes. Das Bemerkenswerte war, dass einige Bakterien die Virusattacken überlebten und ihre Nachkommen fortan »immun« gegen genau diese Phagen waren. Ein angeborenes Immunsystem bei Bakterien?

Die nur aus Hülle und Erbinformation bestehenden, Scifi-Landefähren ähnelnden Phagen landen auf den im Vergleich riesigen Bakterienzellen (1). Sie docken mit ihren Spikes an, injizieren ihre Phagen-DNA in die »nichtsahnenden« Zellen (2). Wie bei einem Computervirus in Ihrem PC entern sie mit ihrem DNA-Programm ohne größeren Widerstand die Kommandozentrale der Zelle, die zum Ring geschlossene Bakterien-DNA.

Die Zelle folgt nun blind den fremden DNA-Instruktionen und produziert zunächst einmal massiv Einzelteile von Phagen: hauptsächlich Phagen-Hüllen und Phagen-DNA. Sie werden von der Wirtszelle zu kompletten Phagen zusammengebaut. Die massenhaft produzierten Phagen sprengen dann die Bakterienzelle. Phagen-Operation gelungen: Bakterium tot, zig frische Angreifer freigesetzt. Am Ende ist die gesamte Bakterienkultur vernichtet.

Den einzigen Widerstand leisten spezielle Bakterienenzyme, sogenannte Integrasen. Die »zerschnipseln« die Phagen-DNA und können so einige ihrer Mutterzellen retten. Gleichzeitig bauen sie hurtig Phagen-DNA-Schnipsel in die Bakterien-DNA ein. Dafür gibt es sogenannte SPACER-Segmente, eine Art »Gedächtnisgalerie« für frühere Phagen-Attacken.

Wozu sind die schlechten Erinnerungen gut? Bei einer erneuten Phagen-Attacke auf die Überlebenden des Gemetzels sind diese nun bestens gewappnet!

Die Zelle hat direkt neben der SPACER-Abteilung auf ihrer DNA weitere Informationen gespeichert, zur Produktion von Enzymen namens Cas 9 (CRISPR-assoziiertes Protein No 9). Cas 9 besitzt einen Suchkopf für DNA (wie ein menschliches GPS zur Orientierung) und scharfe Gen-Scheren, die einmal lokalisierte Phagen-DNA in Sekunden zerstückeln und somit neutralisieren.

Überlebende Bakterien sind damit, anders als wir Menschen, über Generationen geschützt!