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CRISPR/Cas9 auf der ISS

Astronauten schneiden mit der Genschere

NASA-Astronautin Christina Kock bei der Durchführung des experimentellen Verfahrens an Bord der Internationalen Raumstation. (Bild: Sebastian Kraves)

Die berühmte CRISPR/Cas9-Technologie hat in das ungewöhnlichste Labor der Menschheit Einzug gehalten: Forscher haben ein Verfahren zum Einsatz der Genschere auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt und dort erfolgreich getestet. Mithilfe der Genschere können Astronauten nun untersuchen, wie Zellen beschädigte DNA im Weltraum reparieren. Die Erkenntnisse könnten dabei unter anderem der besseren Gesundheitsvorsorge von Raumfahrern zugutekommen.

UV-Licht, Radioaktivität oder freie Radikale – biologische Prozesse und verschiedene Umwelteinflüsse nagen ständig am Erbgut in unseren Körperzellen. Diese Schäden können im schlimmsten Fall zur Entstehung von Krebs führen. Deshalb müssen in unserem Körper ständig Instandhaltungsmaßnahmen durchgeführt werden: Zellen verfügen dazu über verschiedene natürliche Strategien, mit denen sie beschädigte DNA reparieren können. Im Fall von Astronauten ist eine effiziente Flickarbeit besonders wichtig: Da sie sich außerhalb der schützenden Erdatmosphäre befinden, sind sie verstärkt ionisierender Strahlung ausgesetzt und damit einem erhöhten Risiko von genetischen Schäden.

Bisher ist allerdings unklar, inwieweit das DNA-Reparatursystem auf die veränderten Schwerkraftbedingungen im Weltraum reagiert. Es gibt Hinweise darauf, dass die Bedingungen der Mikrogravitation die Art und Weise der Reparatur beeinflusst. Dies lässt befürchten, dass zusätzlich zu der höheren Belastung die genetischen Selbstheilungskräfte von Raumfahrern beeinträchtigt sein könnten. Die weitere Erforschung dieses Themas wurde bisher durch technologische und sicherheitstechnische Hindernisse eingeschränkt: Der Einsatz von Untersuchungstechniken, bei denen genetisches Material etwa durch Strahlung experimentell geschädigt wird, sind auf der ISS problematisch. Außerdem führen sie zu unspezifischen Schäden an der DNA, sodass Reparaturprozesse nicht gezielt untersucht werden können.

Knifflige Laborarbeit in der Schwebe

Deshalb haben die Forscher um Sarah Stahl-Rommel vom Johnson Space Center der NASA in Houston nun eine neue Untersuchungsmethode für den Einsatz im Weltraum entwickelt. Sie basiert auf der CRISPR/Cas9-Genom-Editierungstechnologie. Die Spezifität bei der DNA-Schneidefunktion hat dieses Werkzeug berühmt gemacht. Sie beruht auf der Kombination eines Genabschnitts mit der Zielinformation mit einem Enzym, das als Schere fungiert. Dieses Gespann ist in der Lage, gezielt an bestimmte DNA-Abfolgen im Erbgut zu binden und diese zu schneiden. So lassen sich auch gezielt experimentelle Schäden an der DNA erzeugen, um anschließende Reparaturmechanismen zu untersuchen, erklären die Forscher. In ihrem Fokus stehen dabei besonders gefährliche DNA-Schäden: die sogenannten Doppelstrangbrüche.

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Die Wissenschaftler nutzen für ihr Space-CRISPR/Cas9-Verfahren den einzelligen Hefepilz Saccharomyces cerevisiae. Denn diese eukaryontischen Organismen lassen sich leicht handhaben und besitzen einen Zellkern wie wir sowie ähnliche DNA-Reparaturmechanismen. Wie die Forscher berichten, bestand die Herausforderung bei der Entwicklung des Verfahrens vor allem darin, die Methoden, die auf der Erde bei der CRISPR/Cas9-Technologie eingesetzt werden, an die Schwerelosigkeit anzupassen. Man kann sich dabei leicht vorstellen, dass viele Reagenzien, Verfahren und Arbeitsweisen wie sie bei der irdischen Laborarbeit zum Einsatz kommen, im Schwebezustand schlecht oder gar nicht funktionieren.

Vielversprechender Erfolg

“Das Fachwissen unseres Teams führte aber schließlich zu einem Konzept, durch das sich komplexe Wissenschaft auch jenseits der Grenzen der Erde durchführen lässt“, sagt Stahl-Rommel. Unter anderem durch den sparsamen Einsatz von Reagenzien, die bei dem Verfahren auch teils vorgemischt und eingefroren vorliegen, gelang es den Forschern, eine praktikable Methode zur CRISPR-Genom-Editierung bei Mikrogravitation zu entwickeln. „So ließen sich diese Technik sowie anschließende PCR-Verfahren und Nanopore-Sequenzierungen in der extremen Umgebung realisieren. Außerdem konnten wir die Verfahren in einen biotechnologischen Arbeitsablauf integrieren, der für die Untersuchung der DNA-Reparatur und anderer grundlegender zellulärer Prozesse in der Schwerelosigkeit anwendbar ist“, sagt Co-Autor Sebastian Kraves von der beteiligten Firma MiniPCR in Cambridge.

Die tatsächliche Praxistauglichkeit dokumentierte dabei der erfolgreiche Einsatz der Methode auf der ISS: Er zeigte sich durch leicht erkennbare Farbveränderungen bei den Hefezellen, die mit dem eingesetzten Konzept der genetischen Manipulation verbunden sind. „Das Genom dieser Organismen wurde mit CRISPR/Cas9 editiert, um Brüche in der DNA zu verursachen, gefolgt von den DNA-Reparaturprozessen, die ein Wachstum ermöglichten, und schließlich wurde die resultierende DNA sequenziert – alles an Bord der ISS“, resümiert Co-Autorin Sarah Castro-Wallace vom Johnson Space Center.

Wie die Forscher erklären, stellt der Erfolg einen Proof of Concept dar – das Verfahren kann nun zu einem Grundstein für die umfangreiche Erforschung von DNA-Reparaturmechanismen im Weltraum werden. „Es handelt sich um einen großen Schritt nach vorn für die Weltraumbiologie“, so Castro-Wallace. Die Methode lässt sich ihnen zufolge auch weiter verfeinern und abwandeln, um die komplexen DNA-Schäden, die durch ionisierende Strahlung verursacht werden, besser nachzubilden. Zudem könnte sie auch die Grundlage für die Untersuchung zahlreicher anderer molekularbiologischer Fragestellungen bilden, die mit langfristigen Aufenthalten im Weltraum zusammenhängen. „Dies wirkt vielversprechend im Hinblick auf das Bestreben der Menschheit, den Weltraum immer weiter zu erforschen und auch dort zu leben“, sagt Kraves.

Quelle: PLOS, Fachartikel: PLOS ONE, doi: 10.1371/journal.pone.0253403

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