Video-Feature: Huntington-Forschung… im Weltraum!

Das Huntingtin-Protein, das in seiner mutierten Form die Huntington-Krankheit verursacht, ist schwer zu untersuchen, da es eher Klumpen als saubere Kristalle bildet. Nun versucht die junge HD-Forscherin Gwen Owens vom California Institute of Technology, das Problem zu lösen, indem sie SEHR hoch hinaus will. In einem speziellen Videointerview, das auf dem jüngsten HD-Weltkongress gezeigt wurde, sprach HDBuzz mit Gwen über ihre „nicht von dieser Welt“-Pläne…

ED: Warum ist es wichtig, Huntingtin zu untersuchen, für Leute, die Behandlungen für die Huntington-Krankheit entwickeln wollen?

GWEN: Es ist unglaublich wichtig für die Krankheit… wir wissen, dass es das einzige Protein ist, das die Krankheit zu verursachen scheint, und leider haben wir keine Ahnung, wie es aussieht.

ED: Was ziemlich wichtig erscheint. Wenn man etwas bekämpfen will, sollte man wissen, wie es aussieht.

GWEN: Ja, in der Tat.

ED: Wir haben ein sehr genaues Verständnis der Struktur einiger Proteine, wie Insulin oder Hämoglobin oder einiger der berühmteren Proteine, also warum haben wir das nicht…? Wir haben 2013; seit der Entdeckung des Gens sind 20 Jahre vergangen. Was habt ihr gemacht? Warum haben wir keine Vorstellung davon, wie Huntingtin aussieht?

GWEN: Huntingtin hat zwei Eigenschaften, die es sehr schwierig machen, die Struktur zu untersuchen. Zum einen ist es riesig, es ist eines der größten Proteine in Ihrem Körper. Es ist mehr als sechsmal größer als die meisten Proteine. Das macht die Arbeit damit schwierig. Das zweite ist, dass es aggregiert. Wir wissen, dass ein Teil des Problems bei der Huntington-Krankheit darin besteht, dass dieses Protein, Huntingtin, in Neuronen aggregiert, und das macht es auch sehr schwierig zu untersuchen.

ED: Wenn Sie „aggregiert“ sagen, meinen Sie, dass es zusammenklebt und Klumpen bildet?

GWEN: Genau, ja.

ED: Warum erschwert das Zusammenkleben des Proteins die Untersuchung?

GWEN: Nun, unser Labor verwendet eine Technik namens Röntgenkristallographie, um genau herauszufinden, wo sich jedes Kohlenstoff-, jedes Stickstoff- und jedes Sauerstoffatom in einem Protein befindet. Dafür brauchen wir einzelne Proteine, die nicht verklumpt sein dürfen, um einen Proteinkristall herzustellen.

ED: Okay, Sie betrachten also einen Kristall und können daraus die Struktur des Proteins ableiten?

GWEN: Ja. Wenn sich ein Kristall gebildet hat, kann man tatsächlich einen Laserstrahl durch ihn hindurchschießen, und anhand des Musters, wie das Licht vom Kristall abprallt, kann man tatsächlich rekonstruieren, wo sich alles befindet.

ED: Nach dem Experiment, das Sie planen, klingt es so, als ob Sie an die Grenzen dessen gestoßen sind, was wir im Jahr 2013 auf der Erde tun können, um Kristalle dieses Proteins zu erhalten, richtig?

GWEN: Soweit wir das beurteilen können, ja. Wir haben mehr als 100.000 verschiedene Einzelversuche auf der Erde durchgeführt, und wir können nichts so kristallisieren, dass wir eine Struktur erhalten.

ED: Ich würde sagen, das klingt, als hätten Sie Ihre Vorarbeit ziemlich gut gemacht. Okay, dann lass uns die Katze aus dem Sack lassen. Was planen Sie, um zu versuchen, Huntingtin-Kristalle zu züchten, damit Sie die Struktur untersuchen können?

GWEN: Wir planen, einige dieser Experimente zur Internationalen Raumstation zu schicken.

ED: Huntingtin im Weltraum!

GWEN: Ja, genau. Unser Labor hat einen Zuschuss von CASIS erhalten, dem Zentrum zur Förderung der Wissenschaft im Weltraum, einer Tochtergesellschaft der NASA. Sie suchten nach Kristallisationsexperimenten, die auf der Internationalen Raumstation durchgeführt werden sollten, und ich denke, wir haben ziemlich gute Argumente dafür vorgebracht, warum Huntingtin ein wirklich interessantes Protein ist, um es auf der ISS zu kristallisieren. Sie erkannten, dass sich einiges von der Physik des Kristallwachstums wirklich unterscheidet, wenn man keine Schwerkraft hat. Sie stellten fest, dass bei einigen dieser Proteine, von denen wir wissen, dass sie gut kristallisieren, die Kristalle viel, viel größer werden und sich viel, viel besser bilden. Sie werden in einigen Fällen 10 bis 20 Mal größer sein und tatsächlich beugen, wenn man einen Laserstrahl durch sie hindurchschießt, geben sie einem tatsächlich eine viel bessere Struktur.

ED: Viel größer und viel reiner, so klingt es.

GWEN: In vielen Fällen. Definitiv nicht in allen Fällen, und in einigen Fällen hat es die Sache sogar noch verschlimmert. Wir dachten, Huntingtin wäre in dieser Situation sehr, sehr interessant zu testen. Denn obwohl wir winzige, winzige kleine Kristalle erhalten können, können wir keine Kristalle erhalten, die groß genug sind, um unsere Studien auf der Erde durchzuführen.

ED: Wie weit über der Erde befindet sich die Internationale Raumstation?

GWEN: Sie ist etwa 250 Meilen entfernt.

ED: Aber wir können sie manchmal sehen. Sie fliegt über uns hinweg und man kann sie wie ein kleines Licht am Himmel sehen, richtig?

GWEN: Ja, fast jede Nacht sogar. Man kann online genau nachsehen, wann die ISS am eigenen Standort vorbeifliegt.

ED: Das ist cool. Ist es dort oben eine Schwerelosigkeitsumgebung?

GWEN: Nein, es ist technisch gesehen Mikrogravitation. Es gibt immer noch eine kleine Anziehungskraft von der Erde, obwohl sie sehr hoch oben ist.

ED: Stellen wir hier eine grundlegende Frage. Was passiert, wenn sich ein Kristall bildet?

GWEN: Um einen Kristall herzustellen, benötigt man eine sehr hohe Proteinkonzentration. So dass er im Wesentlichen zu keimen beginnt, also einen zentralen Kern bildet. Dann beginnt er, immer mehr Proteine an der Außenseite anzulagern, bis man etwas erhält, das man mit bloßem Auge als Kristall erkennen kann.

ED: In einer Lösung hat man also all diese Proteinmoleküle, die alle herumfliegen und ziemlich weit voneinander entfernt sind?

GWEN: Im Wesentlichen, ja.

ED: Wenn man dann einen Kristall züchtet, haften die Proteine einzeln aneinander, aber auf organisierte Weise. Stimmt das?

GWEN: Ja, in der Tat.

ED: Es ist die Organisation, die ihn zu einem Kristall macht, und nicht zu einem Blob?

GWEN: Ja.

ED: Wie hilft der Mangel an Schwerkraft den Kristallen beim Wachsen? Was ist es am Mangel an Schwerkraft, das die Kristalle größer werden lässt?

GWEN: Wenn ein Kristall wächst, wie ich bereits sagte, gibt es diese wirklich hohe Proteinkonzentration, die langsam diesen Kristall bildet. Man hat eine wirklich hohe Proteinkonzentration in der allgemeinen Lösung. Direkt neben dem Ort, an dem der Kristall wächst, hat man eine wirklich niedrige Konzentration, weil er gerade in den Kristall aufgesogen wurde, er bildet ein Gitter. Man hat also eine wirklich hohe und eine wirklich niedrige Konzentration direkt nebeneinander. In den Ozeanen wissen wir, dass es zu einer Vermischung kommt, wenn man einen sehr hohen und einen sehr niedrigen Salzgehalt hat. Es kommt zu einer so genannten Konvektionsströmung. Das Gleiche passiert mit Kristallen, es kommt zu dieser Strömung entlang der Oberfläche. Anscheinend behindert diese Strömung das Wachstum des Kristalls, und wenn diese Strömung auftritt, hört der Kristall im Wesentlichen auf zu wachsen.

ED: Richtig, aber wenn man die Schwerkraft wegnimmt…?

GWEN: Beseitigt man den größten Teil der Strömung. Es gibt eine gewisse Strömung, die für den Kristall gut ist, aber die Strömung, die auf der Oberfläche vorhanden ist, behindert bei einigen Kristallen, die auf der Erde schnell wachsen, eindeutig das Wachstum des Kristalls.

ED: Was ist der größte Unterschied, der bei einem Kristall festgestellt wurde, wenn er in Mikrogravitation gezüchtet wurde?

GWEN: Bei Lysozym, einem der Standardkristalle, die wir tatsächlich verwenden, um einige unserer Strahlengänge zu testen, gab es Experimente, bei denen er 20 Mal so groß war. Für unsere Kristalle wäre die 20-fache Größe ausreichend, um mit interessanten Arbeiten an ihnen zu beginnen.

ED: Oh, wow. Dann könnte man die Laserstrahlen durch ihn hindurchschießen und es würden coole Dinge passieren?

GWEN: Hoffentlich, ja.

ED: Wie bekommt man Huntingtin ins All? Schicken Sie es per FedEx hoch und es gibt eine tägliche Lieferung? Was passiert?

GWEN: Wir schicken unsere Proben mit SpaceX 3 hoch, das planmäßig im Januar nächsten Jahres (2014) eine ganze Ladung Sachen zur ISS schicken soll.

ED: Haben Sie das Huntingtin bereits in Ihrem Labor hergestellt, oder sind Sie gerade dabei, es herzustellen? Oder machen Sie es am Tag zuvor?

GWEN: Wir stellen in unserem Labor kontinuierlich Huntingtin-Proteine her.

ED: Wie machen Sie das?

GWEN: Wir züchten es in E. coli, einem Bakterium, und lassen dieses E. coli das Protein, das Huntingtin, in verschiedenen Längen herstellen. Manchmal verwenden wir nur einen Teil davon, weil es ein so großes Protein ist und E. coli große Schwierigkeiten hat, das gesamte Protein herzustellen.

ED: Sie injizieren zusätzliche DNA in die E. coli, um sie in eine Huntingtin-Fabrik zu verwandeln?

GWEN: Genau, ja. Nachdem wir es wirklich, wirklich rein bekommen haben, können wir diese Kristallisationsexperimente durchführen.

ED: Wir wissen, dass es ein mutiertes Protein gibt, das die Zellen schädigt, und ein so genanntes „Wildtyp“- oder gesundes Protein, das die Zellen nicht schädigt. Schicken Sie nur den Wildtyp hoch, oder schicken Sie auch mutiertes Protein hoch?

GWEN: Wir planen, auch etwas mutiertes Protein hochzuschicken. Das mutierte Protein aggregiert stärker als das Wildtyp-Protein, was ein Teil der Ursache für die Huntington-Krankheit ist. Daher ist es viel schwieriger zu kristallisieren. Wir erwarten bessere Ergebnisse vom Wildtyp, aber wir denken, dass es auch sehr interessant wäre, eine Struktur von etwas mutiertem Protein zu erhalten, also werden wir auch etwas davon hochschicken.

ED: Das allerbeste Ergebnis wären also große Kristalle von normalem oder Wildtyp-Protein und große Kristalle des mutierten Proteins. Sie lassen Ihren Laserstrahl durchscheinen, und wir können uns die Unterschiede ansehen?

GWEN: Absolut, ja.

ED: Vielleicht sogar einige Hinweise darauf, wo wir ein Medikament ansetzen könnten, oder was wir tun könnten, um den mutierten Kristall in etwas zu verwandeln, das ein bisschen mehr wie der Wildtyp-Kristall aussieht?

GWEN: Das würden wir uns erhoffen, ja.

ED: Wie empfindlich ist diese Probe des Huntingtin-Proteins und wie wird sie verpackt?

GWEN: Sie ist verpackt in… Eigentlich habe ich sie hier. Wir haben diese kleinen Geräte. Das sind sechs verschiedene kleine Experimente. Die Reise nach oben ist also… sie sollten ziemlich stabil sein, weil das Experiment erst beginnt, wenn sie in die Mikrogravitation gelangen. Die Astronauten müssen tatsächlich ein paar Hebel umlegen, damit unser Experiment startet. Ansonsten kristallisiert das Huntingtin-Protein nicht, bevor es sich in der Mikrogravitation befindet.

ED: Sie nehmen also diese kleinen Behälter dort oben heraus, legen die Hebel um und dann läuft das ganze Experiment von selbst?

GWEN: Ja, genau.

ED: Wow. Das klingt gut, denn Astronauten… sie sind nicht gerade Raketenwissenschaftler, seien wir ehrlich.

GWEN: (Lacht) Ja.

ED: Wie lange wachsen die Kristalle dann, nachdem sie die Schalter umgelegt haben?

GWEN: Es wird etwa vier Monate dauern, aber es hängt auch davon ab, wann die verschiedenen SpaceX-Fahrzeuge hoch- und runterkommen können.

ED: Wann startet die SpaceX 3-Rakete?

GWEN: 15. Januar.

ED: 15. Januar? Wann ungefähr wird das Huntingtin wieder auf die Erde zurückkommen?

GWEN: Ungefähr im April. Hoffen wir.

ED: Es wächst die ganze Zeit?

GWEN: Ja. Nun, die Astronauten legen einen Schalter um, bevor es wieder runterkommt, so dass das Experiment beendet ist, bevor es wieder die Schwerkraft erreicht. Wenn es zum Beispiel kristallisiert ist, man aber bei der Rückkehr mit dem Wiedereintritt zu tun hat, kann das eine etwas holprige Fahrt sein. Das ist wahrscheinlich der schwierigste Teil, weil wir uns Sorgen machen, dass die Kristalle zerbrechen könnten.

ED: Wenn etwas wieder auf die Erde zurückkommt, fällt es dann nicht einfach ins Meer?

GWEN: Ja. (Lacht) Vorsichtig!

ED: Wie fühlen Sie sich dabei?

GWEN: Die Behälter, in denen sich die Kristallisationsexperimente befinden, sind sehr gut gegen Vibrationen und Temperaturschwankungen isoliert. Das Protein sollte nicht allzu weit von unserem Labor in Pasadena entfernt herunterkommen. Wir sollten also in der Lage sein, hinzufahren und fast da zu sein, wenn es aufschlägt. Das Protein holen und so schnell wie möglich zurück in unser Labor fahren. Dann einen Röntgenlaserstrahl durchschießen.

ED: Wie schnell werden Sie nach der Ankunft im Labor wissen, ob die Kristalle groß genug sind, um für Sie von Nutzen zu sein?

GWEN: Innerhalb weniger Stunden.

ED: Das wird also ziemlich aufregend.

GWEN: Ja, ja. Absolut.

ED: Können Sie mir eine Vorstellung davon geben, zu welchen Dingen die Kenntnis der Kristallstruktur von Proteinen in der Vergangenheit geführt hat?

GWEN: Ein Beispiel ist, als HIV zum ersten Mal entdeckt wurde. Einige der HIV-Proteine, wie die HIV-Protease, die für die Funktion des Proteins wichtig ist, wurden in ihrer Kristallstruktur aufgeklärt. Dann konnten organische Chemiker und synthetische Chemiker diese Struktur nutzen, um etwas herzustellen, das die erwartete Funktion hemmte. Sie haben sich sozusagen an die Struktur geklammert und konnten auf der Grundlage der Kristallstruktur ein neues Medikament gegen HIV herstellen.

ED: Haben Sie abschließend eine Botschaft für die Leute hier in Rio und die, die online zuschauen?

GWEN: Sicher, wenn Sie jemals sehen wollen, wann die ISS vorbeifliegt, können Sie jederzeit auf die Website spotthestation.nasa.gov gehen und wissen, dass zwischen Januar und April dieses Jahres Huntingtin vorbeifliegen wird.

ED: Nun, Gwen, das ist absolut erstaunlich. Ich meine, es ist so aufregend, dass das passiert. Ich weiß es wirklich zu schätzen, dass Sie sich die Zeit genommen haben, mit mir zu sprechen. Ich weiß, dass alle hier in Rio total aus dem Häuschen sein werden, dass das passiert. Ich denke, selbst wenn es überhaupt nicht funktioniert, ist es das Ausprobieren total wert und es ist wirklich cooles Zeug, also vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, mit uns zu sprechen.

GWEN: Vielen Dank, dass ich dabei sein durfte.

Mehr erfahren

• Labor-Homepage von Dr. Pamela Bjorkman, wo Gwen Owens arbeitet.
• Center for the Advancement of Science in Space (CASIS).
• Spot The Station – NASAs Seite, um herauszufinden, wann die ISS an Ihrem Standort sichtbar ist. Smartphone-Apps sind ebenfalls erhältlich!