Charlys Evolutionsmaschine

24. August 2016 von Ralf Neumann


(Es ist immer wieder spannend, was aus unseren ehemaligen Praktikanten und Mitarbeitern geworden ist. Einer, so haben wir gerade erst erfahren, ist seit einigen Jahren ein ziemlich erfolgreicher und preisgekrönter Romanautor: Matthias Nawrat (siehe etwa hier und hier). In den Jahren 2008 und 2009 schrieb er einige Artikel für
Laborjournal — und im Rückblick muss man wohl festhalten, dass dies seine Karriere offenbar zumindest nicht nennenswert behindert hat. Damals schrieb Nawrat auch ein kleines Stück „Science in Fiction“, das unter dem Titel „Charlys Evolutionsmaschine“ auf Laborjournal online erschien. Ob man da sein besonderes Talent bereits erkennen konnte? Urteilen Sie selbst:)

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Bildschirmfoto 2016-08-24 um 18.09.08harly war eine halbe Stunde zu früh dran. An den Tischen im Foyer saßen Studenten in weißen Kitteln, aßen Brote und kicherten. Aus einem der Praktikumsräume stank es nach faulen Eiern. Charly schlüpfte in die Toilette und setzte sich auf die Kloschüssel. „Ich habe Ihnen von meinen Modellen geschrieben“, flüsterte er. „Ich nenne das die Evolutionsmaschine.“ Er wusste, er musste gleich zum Punkt kommen. Er brauchte Rechner, er brauchte Geld, und das konnte nur ein akademischer Star wie Coltrane beschaffen. Heute war der Tag. Er musste überzeugen.

Charly verließ die Kabine und warf sich zwei Handvoll Wasser ins Gesicht. Dann stieß er die Tür zum Klo auf. Die Studenten blickten auf wie eine Pferdeherde. Schnellen Schrittes nahm er ein Paar Treppenstufen und verließ das Parterre, das Refugium des Hausmeisters, der Werkstätten und der Praktikumräume. In Coltranes Stockwerk geriet sein Mut jedoch ins Wanken. Jim lief auf ihn zu, der Postdoc aus Oregon, der seine Doktorarbeit in derselben Arbeitsgruppe wie Charly gemacht hatte und jetzt bei Coltrane arbeitete. Jim trug eine Styroporbox mit Eppis in der Hand und sein Sunnyboy-Grinsen im Gesicht.

„Charlotte“, sagte Jim. „Was schwitzt du denn so? Ist doch alles ganz easy.“

„Hallo Jim“, sagte Charly und fühlte sich plötzlich sehr klein.

„Mit deinen kurzen Beinen solltest du nicht so viele Treppenstufen auf einmal nehmen.“

„Ok.“

Den Witzen von Jim war am besten mit Erhabenheit zu begegnen. Einmal hatte der Amerikaner eine Fotomontage von der Arbeitsgruppe ins Netz gestellt, Charly hatte darauf ein Mädchenkleid und Zöpfe getragen. Seit damals hatte sich der Spitzname Charlotte eingebürgert und Charly verbrachte seine Pausen seltener in der Küche. Die beste Zeit am Institut war sowieso nachts oder am Wochenende. Da hatte er seine Proben im Schüttler und seine Gele fertig und konnte sich auf das Wesentliche konzentrieren: die Evolutionsmaschine. Drei Jahre lang hatte er seine Nächte dafür geopfert. Jim würde die Evolutionsmaschine nicht einmal im Ansatz verstehen.

„Also dann“, sagte Jim und verschwand in einem der Gänge. Charlys ungutes Gefühl blieb. Viel zu schnell war er an der Glastür von Victor Coltrane angelangt, auf der die monatlich aktualisierte Tabelle von dessen Veröffentlichungen sowie die Liste seiner Preise und Ehrungen hing. Charly bewunderte ein Mal mehr, wie man mit 39 Jahren auf die Zahl von 218 Papers kam. Nach der Begegnung mit Jim wäre er am liebsten noch einmal kurz auf die Toilette gegangen, aber schon rief eine kräftige Stimme „Herein!“. Charly blieb nichts anderes übrig: er trat ein.

Nun ging alles sehr schnell:

„Sie haben WAS entworfen?“, fragte Coltrane nach einer Weile tonlos.

Charly legte die Tabellen und Ausdrucke auf den Tisch.

„Eine Evolutionsmaschine“, wiederholte er.

„Aha“, sagte Coltrane. Er machte eine Geste mit der Hand.

Charly fing an: Ein Gerät scannt das Genom, ein Programm vervielfältigt die Sequenz auf eine Zahl von Hunderttausend fiktiven Individuen und führt zufällige Mutationen ein. Auf der Basis von Datenbanken errechnet das Programm die Proteinstrukturen, die sich aus den Genomen ergeben, aus der Summe der Proteine wiederum die Phänotypen. Die werden danach in einer simulierten Umwelt mitsamt Artgenossen und anderen Lebewesen ausgesetzt. Nur diejenigen Kopien überleben, die sich vermehren können, dann wieder ein neuer Durchlauf, und so weiter und so fort, simulierte Evolution, in die ferne Zukunft hinein, alles im Computer, alles nur fiktiv, allerdings nicht einfach ein Wolkenschloss, denn ein Genom, das nach fünfhundert, tausend, zehntausend Generationen das erfolgreichste ist, kann ja dann wieder aus realen Nukleotiden zusammengesetzt, zurück in die reale Welt gebracht und in eine befruchtete Eizelle eingepflanzt werden. Daraus wächst zum Schluss das evolvierte Lebewesen heran. Ein Lebewesen aus der Zukunft.

„Verstehen Sie“, fragte Charly aufgeregt. „Verstehen Sie?“

Coltrane nickte, sagte aber nichts, schien jetzt nur nachdenklich zu werden.

Charly fuhr fort:

„Die entsprechenden Programme müsste man noch schreiben, aber die Modelle einer realistischen Umwelt habe ich schon entworfen, und die evolutionären Algorithmen sind ja kein Hexenwerk, es ist alles machbar, es wäre eine im Voraus berechnete Evolution, man könnte Tiere und Pflanzen im Hinblick auf den Klimawandel, auf andere zukünftige Probleme hin züchten. Resistenz, Adaptation, Stresstoleranz, man könnte von mir aus auch den Menschen ein bisschen modifizieren.“ Charly lachte. „Wenn man das wollte, nur wenn man das wollte. Vor 150 Jahren hat ein großer Mann die Vergangenheit des Lebens beschrieben, das hier ist die Lösung für die andere Seite des Zeitstrangs. Eine Maschine, die die Zukunft des Lebens in die Gegenwart holt. Fünfhundert Generationen können in einer Woche durchsimuliert werden. Das erfordert etwa siebzehn Terrabyte Rechenleistung, wenn meine Kalkulationen stimmen. Die Universität bräuchte ein größeres Rechenzentrum, ein viel größeres. Wir sind doch Elite, da kann so ein Antrag doch durchgehen, oder nicht? Es wäre der Durchbruch. Es wäre eine Sensation. Es wäre eine Revolution.“

Coltrane nickte, aber er sagte immer noch nichts. Er wirkte jetzt sogar noch nachdenklicher. Er war ziemlich groß, das konnte Charly sehen, obwohl der immer energisch wirkende Brite hinter seinem Schreibtisch saß. Der eher kleine Charly hatte einen Blick für Körpergröße.

„Interessant“, sagte Coltrane nach einer Weile. Danach schwieg er wieder. Vor dem Fenster sah Charly Studenten durch den botanischen Garten stapfen, eine Amsel flötete. Unruhe beschlich ihn. Coltrane durfte auch langsam mal antworten. So etwas wie: Das ist wirklich gute Arbeit. Oder: Das müssen wir sofort publizieren.

Aber Coltrane sprach ganz andere Sätze:

„Das ist unmöglich. Das kriege ich nie durch. Es hört sich nach Science Fiction an. Außerdem: Welche Relevanz hätte das? Ist es irgendwie nützlich für die Medizin? Wer würde sich so etwas kaufen wollen?“

„Keine Ahnung“, sagte Charly und lachte hysterisch auf. „Vielleicht die Regierungen. Die könnten die Bevölkerung mal so richtig durchevolvieren.“

„Durchevolvieren?“

„War nur so ein Gedanke.“

Coltrane schüttelte den Kopf.

„Tut mir leid“, sagte er. „Ich kenne mich mit Anträgen aus. Das hat keine Chance. Sie haben ja nicht mal publizierte Vorarbeiten zu dem Thema.“

„Aber…“

„Sie haben viel Mühe investiert, das sehe ich. Aber ich fürchte, sie war umsonst.“

Charly hatte plötzlich den Eindruck, dass Coltrane noch größer wurde. Oder dass der Raum schrumpfte. Im nächsten Augenblick fühlte er sich, als stünde er auf einer Drehscheibe, die in Bewegung geriet. Es war einer seiner Zustände. Das ist normal, sagte er sich. Das passiert manchmal einfach so. Schließlich war Coltrane aufgestanden und trat auf ihn zu, was in Charlys Körperkoordinatensystem noch einmal alles durcheinander brachte. Er roch die seltsamsten Gerüche. Von draußen drangen wilde Blumen ein, im Raum musste irgendwo ein Apfel faulen.

„Ich habe jetzt leider einen Vortrag“, sagte Coltrane und schob Charly zur Tür. „Ich muss leider los.“

„Oh“, hörte Charly sich wie aus einer Tropfsteinhöhle heraus sagen. Außerdem war ihm jetzt heiß.

„Danke, dass Sie hier waren“, sagte Coltrane.

„Nein, nein“, hallte es in Charlys Schädel. „Danke für Ihre Zeit.“

Charly stand wieder auf dem Gang. Allein. Alles normalisierte sich langsam. Kühlschränke brummten. Es war vorbei. Nur eine Autorität wie Coltrane hätte das durchboxen können. Drei Jahre Arbeit für den Müll. Er hatte seine Unterlagen auf Coltranes Schreibtisch liegen lassen. „Soll der sie doch wegschmeißen!“, dachte Charly. Als er sich in Bewegung setzte, erschien ihm der Gang mit den Kühltruhen und Postern merkwürdig frisch und neu.

Fast genau zwei Jahre später berichtete die Zeitung von einer revolutionären Maschine. Charly las, diese Maschine könne ein Lebewesen so züchten, wie es in hunderttausend Jahren sein würde. Die Idee hatte ein Privatinvestor aus den USA entwickelt, zusammen mit einem ehemaligen Professor für Biologie. Dieser war kurz zuvor wegen Vorwürfen des wissenschaftlichen Datendiebstahls von seiner Uni gefeuert worden. Mit dem Prototypen würden sich sogar zukünftige Menschen züchten lassen. Allerdings nur in Saudi-Arabien. Dort gab es weniger ethischen Richtlinien für Forschung. Charly ärgerte sich, dass er von seiner ganz ähnlichen Erfindung nie jemandem erzählt hatte. Jetzt gab es keine Zeugen. Eine Woche später berichtete die Zeitung vom Tod des ehemaligen Professors. Ein kreationistischer Selbstmordattentäters hatte sich gemeinsam mit ihm in die Luft gesprengt. Im Bekennerschreiben stand: Wenigstens die Zukunft der Arten gehört Gott!

Matthias Nawrat

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Ich nehm‘ das Gen, Du das Produkt

26. August 2014 von Ralf Neumann

Manchmal kann man nur staunen, welche Wege Gene im Laufe der Evolution gehen.

Gut geeignet dazu ist etwa das Szenario, das japanische Forscher unlängst in der unscheinbaren Erbsenlaus Acyrthosiphon pisum vorfanden.

Bereits zuvor war bekannt, dass die Läuse in speziellen Zellen, sogenannten Bakteriozyten, Bakterien der Art Buchnera aphidicola beherbergen. Dort verstoffwechseln diese, quasi als „Verdauungshelfer“, so einige Nahrungsbestandteile für ihren Wirt.

Diese Endosymbiose funktioniert schon seit 100 Millionen Jahren — und das offenbar so gut, dass die Bakterien außerhalb ihres Wirtes gar nicht mehr leben können. Was nicht verwundert, denn wie es bei parasitischen und endosymbiotischen Lebensweisen die Regel ist, hat auch Buchnera sein Genom inzwischen von einer ganzen Reihe ungebrauchter Gene bereinigt.

Die Japaner selbst hatten bereits in einer früheren Studie gezeigt, dass die Erbsenlaus-Vorfahren mindestens zwölf Gene bakteriellen Ursprungs durch horizontalen Gentransfer in ihr Genom integrierten. Sieben davon exprimieren sie spezifisch in ihren Bakteriozyten — was darauf hindeutet, dass sie für ihre Buchnera-„Dauergäste“ essentiell sind. Diesen Beitrag weiterlesen »

Diverse Arten

18. Juli 2013 von Ralf Neumann

Welches Maß an genetischen Unterschied braucht es, um eindeutig zwei Spezies voneinander zu trennen?

Bleiben wir zunächst bei uns. Die Genome zweier beliebiger Menschen unterscheiden sich in knapp einem Prozent ihrer Sequenzen — offenbar zu wenig für zwei unterschiedliche Arten. Mit dem Schimpansen dagegen teilen wir uns im Schnitt 96 Prozent des Genoms. Bleibt man nur dabei, so müsste man folgern, dass irgendwo auf dem Weg von 99 runter zu 96 Prozent Sequenzübereinstimmung die genetische Artgrenze überschritten wird. Jetzt unterscheidet sich aber ein Schimpanse in seiner Sequenz von seinem eigenen Artgenossen bereits genau so sehr wie die beiden Spezies Mensch und Neanderthaler. Es scheint also komplizierter zu sein.

Wenn wir den Blick nur ein wenig ausweiten, stellen wir schnell fest: Es ist viel komplizierter! Bereits 2004 schrieben wir in Laborjournal print (Vol. 1-2/2004: 24):

Wiewohl Faustregeln zu einer molekularen Spezies-Differenzierung bereits existieren, kann eine Artabgrenzung allein aufgrund der Menge an Basenunterschieden schwer in die Irre führen. Diesen Beitrag weiterlesen »

Bigfoot — Big Fake?

14. Februar 2013 von Ralf Neumann

Gestern erschien nach über zweimonatiger scharfer Kontroverse das angekündigte Paper zur Genom-Entschlüsselung des legendären nordamerikanischen Waldmenschen, bekannt als „Bigfoot“ oder „Sasquatch“. Dies allerdings unter höchst zweifelhaften Umständen. Erstautorin Melba Ketchum veröffentlichte die Studie als einzigen Artikel der ersten Ausgabe eines völlig neuen Journals namens DeNovo — und erwarb im gleichen Atemzug sämtliche Rechte an der ganzen Zeitschrift. Dennoch beschwört Melba Ketchum, dass das Manuskript zuvor ein ordentliches Peer Review-Verfahren durchlaufen habe.

Den Artikel selbst muss man — trotz der Aussage des Journals, „Open Access“ agieren zu wollen — für mindestens 30 US-Dollar kaufen. Das haben wir nicht getan — ganz im Gegensatz zu dem US-Wissenschaftsautor Carl Zimmer, der bereits nach kurzer Inspektion des Artikels über seinen Twitter-Account urteilte:

The phylogeny in this #sasquatchgenome paper is incomprehensibly illegible & doesn’t seem to use any method I can recognize.

Zeitgleich nahmen sich einige „Computational Geneticists“ Sequenzfetzen aus der Veröffentlichung vor — und kamen zu dem Schluss, dass es sich um einen bunten DNA-Mix aus allen möglichen Spezies handelt. Diesen Beitrag weiterlesen »

Der Forscher ist ein armer Gnom, der noch nicht forscht an einem „-om“

20. September 2012 von Ralf Neumann

Art Wuster vom Sanger Institute in Cambridge hat in seinem Blog Seqonomics unter dem Titel „Which is the best ‚ome of them all?“ nachgezählt — und was herauskam, belegt eindrucksvoll die „-Omomanie“ der letzten Jahre:

„Genom“ ist also der klare Sieger, vor allem bei den „PubMed Hits“; mit Riesenabstand folgen „Proteom“ und „Trankriptom“.

Tja, und wer mit seinem Zeug partout nicht hineinpasst in Wusters Top 14, der benennt ganz einfach selbst ein geeignetes „-om“. Dies allerdings kann schnell lächerlich wirken. Diesen Beitrag weiterlesen »

Kaum Schrott im Genom?

11. September 2012 von Ralf Neumann

Puh, da ist man erstmal sprachlos. Mit der puren Masse von gleich 30 Artikeln auf einmal in mehreren Journals erschlagen uns förmlich die über 440 Forscher des internationalen ENCODE-Konsortiums (Nature hat dazu einen speziellen „ENCODE-Explorer“ eingerichtet).

ENCODE steht für „Encyclopedia Of DNA Elements“ und der Name war und ist durchaus Programm: Nicht weniger, als sämtliche Abschnitte des Humangenoms funktionell zu katalogisieren, war Ziel des Projekts. Oder wie Brendan Maher in Nature schreibt:

The project’s aim is to catalogue the ‚functional‘ DNA sequences that lurk there, learn when and in which cells they are active and trace their effects on how the genome is packaged, regulated and read.

Ist dieses Ziel mit diesem Paper-Paukenschlag erreicht?

Wie üblich bei solchen Projekten, hat man jetzt erstmal eine Riesenmenge Daten produziert, die fortan Stoff für jede Menge eingehendere Analysen bieten. Und — wie ebenfalls üblich — wird dabei sicher auch noch ordentlich „falsch positives Datenrauschen“ aussortiert.

Vor allem eine pauschale Schlüsselerkenntnis proklamieren die ENCODE-Protagonisten jedoch schon jetzt: Im Humangenom gibt es fast keinen Müll, nahezu jede Base spielt offenbar irgendwie mit in der Orchestrierung des jeweils spezifischen Zellgeschehens. Diesen Beitrag weiterlesen »

Wege zum Ruhm

13. März 2012 von Ralf Neumann

In der Serie The Life Scientific interviewt der englische Physiker Jim Al-Khalili für BBC Radio 4 regelmäßig…

… leading scientists about their life and work, finding out what inspires and motivates them and asking what their discoveries might do for mankind.

Ende letzten Jahres war Paul Nurse, Medizin-Nobelpreisträger 2001, dran. Auf die Frage, was seiner Meinung nach der Schlüssel zu seiner erfolgreichen Forscherkarriere gewesen sei, antwortete er, dass er bereits sehr früh die Entscheidung traf, ein „Big Problem“ verfolgen zu wollen — nämlich zu verstehen, wie Zellen sich teilen:

I realised that science was difficult and it often failed and if you were going to carry out a career like that you at least had to tackle a big problem. […] And so I thought it would be a very fundamental problem to understand how cells reproduce themselves and that’s the problem I set myself as a PhD which also didn’t go brilliantly, quite frankly, but it was a very, very strategic decision.

Das „Big Problem“ also als Schlüssel zum Erfolg? Diesen Beitrag weiterlesen »

Schön schlicht

7. Juni 2011 von Ralf Neumann

Bienenkönigin inmitten von Arbeiterinnen: Keine Frage der Gene, sondern des Royalactins

Früher waren „One-Author-Paper“ üblich, heute sind sie eine aussterbende Gattung — gerade in den Life Sciences. Der globale Durchschnitt nähert sich gerade dem Wert von fünf Autoren pro Paper, und Publikationen mit mehr als fünfzig Autoren sind schon lange keine Seltenheit mehr.

Vor kurzem jedoch verirrte sich wieder einmal solch ein seltenes „Ein-Autor-Exemplar“ in Nature (Band 473, 478-83). Und auch in diesem Fall konnte man fast schon ergriffen feststellen, dass es doch noch geht, große Fragen ohne viel Hightech, sondern vielmehr mit verblüffend einfachen Ansätzen zu lösen.

Es ging um die Frage, wie die Bienenkönigin zur Bienenkönigin wird. Diese unterscheidet sich in ihrer Genomsequenz kein bisschen von den Arbeiterinnen ihres Stocks — und wird dennoch so sehr anders. Das Geheimnis ist ihre Ernährung. Drei Tage lang bekommen die frisch geschlüpften Larven einen Kraftmix aus Proteinen, Zucker, Fetten und Vitaminen, den die Arbeiterinnen ordentlich mit eigenen Drüsensekreten aufpeppen. Danach jedoch werden die künftigen Arbeiterinnen auf ein schlichtes Mahl aus Honig, Pollen und Wasser gesetzt, während die angehende Königin weiterhin „Gelee Royal“ schmausen darf. Mit den bekannten Folgen.

Was jedoch ist drin in diesem „Gelee Royal“, dass es ein und dieselben Gene so „königlich“ anders orchestriert? Ein Japaner namens Masaki Kamakura vom Biotechnology Research Center in Toyoma hat das „gewisse Etwas“ nun gefunden. Und das auf recht einfache Weise. Diesen Beitrag weiterlesen »

Schlampige Zitate im Genom

16. März 2011 von Ralf Neumann

Bekam Beschwerden wegen unsauberer "DNA-Zitate": James Craig Venter

(Mit Update vom 16.3., 15 Uhr !)

Zitate sind eine sensible Sache. Herr zu Guttenberg musste dies erst kürzlich schmerzhaft lernen — während die Wissenschaft genau aus diesem Grund das Zitieren unter allerstrengste Regeln stellt.

Nicht ganz ohne Ironie daher, dass kein Geringer als Genom-Guru James Craig Venter kürzlich auf einer Tagung zugeben musste, dass er schlampig zitiert habe.

Wir erinnern uns: Im Mai letzten Jahres gab Venter bekannt, dass sein Team das Genom von Mycoplasma-Bakterien komplett und funktional durch DNA ersetzt habe, die sie zuvor mit ihren Maschinen synthetisiert hatten. Nicht wenige feierten die ganze Sache als „erste synthetisch geschaffene Lebensform„, andere waren dagegen durchaus kritischer.

Wie auch immer — Venters Kollegen hatten damals mehrere berühmte Zitate in den synthetischen DNA-Strang hineinkodiert, um ihn von der nativen Mycoplasma-DNA unterscheiden zu können. Zwei davon bescherten Venter später Post. Diesen Beitrag weiterlesen »

Dreckige Genome

18. Februar 2011 von Ralf Neumann

Der Mensch mischt mit. So wie sie derzeit in den einschlägigen Datenbanken stehen, sind mindestens ein knappes Viertel aller Genomsequenzen von Nicht-Primaten mit menschlichen DNA-Sequenzen durchsetzt.

US-Forscher um Rachel O’Neill von der University of Connecticut nahmen sich sämtliche Genome aus vier Datenbanken vor: den Genome Browsern des Joint Genome Institute, des National Center for Biotechnology Information (GenBank) und der University of California, Santa Cruz, sowie der Datenbank Ensembl des European Bioinformatics Institute (EBI).

All diese Sequenzen screenten sie nach human-spezifischen repetitiven AluY-Elementen. Diese sind zwar keine 300 Basenpaare lang, kommen aber etwa eine Million Mal im Humangenom vor. Das Ergebnis: Von 2.057 untersuchten Genomsequenzen enthielten 454 AluY-Sequenzen — das macht 22,4 Prozent (PLoS ONE 6(2): e16410). Diesen Beitrag weiterlesen »

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