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aus Heft 45/2016 Wissen

Kleiner Star

Von Roland Schulz 

Der Fadenwurm fristete ein Dasein im Verborgenen. Dann entdeckte ihn die Wissenschaft – und lernte an ihm das Leben zu ergründen. Inzwischen hat das Tierchen drei Nobelpreise errungen.

Wurmkunde: Gewaltige Vielfalt: Vier Fünftel aller Tierarten, die auf der Erde leben, sind Fadenwürmer. Die meisten von ihnen sind unerforscht. Caenorhabditis elegans allerdings, der Biologen seit fünfzig Jahren als Modellorganismus dient, ist der am besten erforschte Mehrzeller der Welt.

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Die ersten Würmer kamen aus Übersee, per Luftpost. Sie reisten keimfrei, in versiegelten Reagenzgläsern, wie es einer Reinkultur gebührte. Sie waren vom Stamm Bristol, denn ihre Ahnen – die letzten Wilden ihrer Linie – waren zehn Jahre zuvor in einem Hinterhof jener Stadt auf einem Komposthaufen aufgegriffen worden, kopulierend. Seither vermehrten sie sich im Labor. Der Wissenschaftler, an den die Würmer adressiert waren, heißt Sydney Brenner. Er hoffte auf ihre Hilfe. Sie sollten helfen, die Entwicklung allen Lebens auf Erden zu entschlüsseln.

Brenner war Biologe. Er galt als Genie, und so benahm er sich auch. Er genoss es, seine Ideen am Verstand anderer zu wetzen, weshalb er ständig von ihnen sprach. Er gab vor, von einem unsichtbaren Geist namens »Der Skeptiker« verfolgt zu sein, der ihm nach jeder neu erzielten Erkenntnis ins Ohr flüsterte: »Woher weißt du das denn so sicher?« Seine Studenten hatten ausschließlich Referate aus dem Stegreif zu halten, da Brenner glaubte, wer mehr als zwei Minuten Zeit brauche, seine Gedanken zu sammeln, begreife sowieso nicht, was er tut. Brenner hieb seine Intelligenz wie Metallsporen in die Menschen. Manche trieb das an. Manche scheuten. Brenner betrachtete es als natürliche Auslese. Er glaubte fest, für Großes ausersehen zu sein. Deswegen die Würmer.

Sie trafen in den letzten Tagen des Oktobers 1963 in seinem Labor ein, einem Hinterzimmer der englischen Universität Cambridge. Der Raum glich einer Rumpelkammer. Überall stauten sich Mikroskope, Zentrifugen, Brutschränke. Manches Gerät wucherte bis auf den Gang. An der Wand eine Schultafel. Nirgends ein Schreibtisch zum Sitzen. Das Labor war umkämpfter Lebensraum. Brenner hatte hier Geißeltiere begutachtet, Schleimpilze, mehrere Arten von Amöben und einen trostlosen Einzeller, der aussah wie eine behaarte Träne. Keines der Tiere hatte Brenners Ansprüchen genügt, besonders in Sachen Sex. Da las er von einer faszinierenden Art Fadenwürmer – wirbellosen Winzlingen aus dem Erdreich, die sich exakt glichen und Zwitter waren: Sie bildeten erst Spermien, dann Eizellen, und befruchteten sich selbst. Die Tiere, keinen Millimeter klein, trugen einen klingenden Namen: Caenorhabditis elegans. In Kalifornien, hörte Brenner, hätten Forscher eine Linie der Fadenwürmer kultiviert, fortpflanzungsfreudiges Material, Stamm Bristol. Er bat um eine Probe.

Zu jener Zeit war die Universität Cambridge das Zentrum einer neuen Biologie. 1953 hatten zwei Wissenschaftler hier die Struktur der DNS entdeckt – der berühmten Doppelhelix, die in jeder Zelle jedes Lebewesens steckt und seine Erbinformation speichert. Brenner war einer der Ersten, der ein Modell des Moleküls sah. Er begriff, wie bahnbrechend die Entdeckung war: Bisher hatte die Biologie dreidimensionale Lebewesen studiert. Tiere. Pflanzen. Bazillen. Doch die Entdeckung, dass das Erbgut in der Doppelhelix eingeschlossen war, ermöglichte es Biologen, das Leben eindimensional zu erforschen: auf Ebene der DNS allein. Als junger Wissenschaftler arbeitete Brenner in der neuen Disziplin der Molekularbiologie, Seite an Seite mit den Entdeckern der Doppelhelix. Er war Mitte zwanzig. Er stand an der Speerspitze des Wissens. Er wollte mehr.

Als die Würmer ankamen, war Brenner aufgeregt. Sorgsam säte er die Tiere in mehrere Petrischalen, träufelte ihnen ein paar Tropfen Bakterien als Futter hinein, schob sie in einen Brutschrank. Sie fraßen. Sie häuteten sich. Sie waren drei Tage alt, als sie begannen, sich zu befruchten. Vier Tage vergingen, in denen jeder von ihnen gut 300 Eier legte, dann starben sie. Erste Generation. Ihre Nachkommen schlüpften, fraßen, häuteten sich. Jeder Wurm zeugte 300 Wurmkinder. Zweite Generation. Schlüpfen. Häuten. Sex. Dritte Generation. Im Inneren der Schalen war Bewegung, mit bloßem Auge kaum auszumachen – ein Winden, ein Wiegen, wie eine Gruppe tanzender Wimpern. Brenner schob eine Schale unters Mikroskop.

Die Anfänge der Molekularbiologie waren atemberaubend. Alle Experimente waren Abenteuer, jeder Gedanke frisch, die meisten Methoden neu. Schritt für Schritt durchdrang die neue Biologie das Wunder der DNS: Da war eine seltsame Strickleiter voller Gene, verschlüsselt durch Kombinationen von vier verschiedenen Basen, die in Aminosäuren übersetzt wurden, die sich zu Proteinen zusammenfügten, die Zellen formten. Es war magisch. Aber auch ernüchternd, besonders für einen Forscher wie Brenner: Auf der DNS lagen Antworten auf alle neuen Fragen des Fachs. Mussten halt nur noch entschlüsselt werden. In Brenners Augen war das Aufräumarbeit, mochte sie auch Jahrzehnte dauern. Aber wo wartete die nächste bahnbrechende Entdeckung? Er hatte eine Idee. Er wollte das neue Wissen auf die alten Rätsel der Biologie ansetzen: wie etwas wuchs. Warum etwas reagierte. Wie etwas starb. Auf der eindimensionalen Ebene der DNS allein war das nicht erforschbar. Dafür brauchte die Biologie wieder ein echtes, dreidimensionales Lebewesen.

Im Licht der Linsen vielfach vergrößert, boten die Würmer ein wundervolles Bild. Sie wedelten durch den Nährboden ihrer Schale wie durch Tiefschnee, anmutige Schwünge ins Agar-Agar zeichnend. Diese Kür verblasste allerdings vor dem Zauber ihrer Körper. Die Tiere waren durchsichtig. Brenner vermochte in ihr Innerstes zu blicken, als wären die Würmer gläsern – in der Hülle ihrer Haut streckten sich Muskelstränge, liefen Nervenbahnen, saßen Geschlechtsorgane. Kein Herz. Kein Hirn. Keine Knochen, kein Blut. Alles in allem höchstens ein paar hundert Zellen. Sie waren höheres Leben, aber in simpelster Form – wie erschaffen dafür, erforscht zu werden. Brenner war begeistert. Ein Versuchstier. Endlich. Ende 1963 stellte Brenner den Antrag, den Wurm erforschen zu dürfen. Er hielt sich so kurz, dass es keck war – ein einzelnes Blatt Papier, ein paar karge Sätze, in denen er seinen Plan umriss: das vollständige Vermessen eines Organismus, und zwar bis zur Ebene des Erbguts. Der Forschungsrat beriet. Viele Biologen nutzten Versuchstiere, gerade in der Genetik: Ihre Grundlagen waren an einer Taufliege erforscht worden, Drosophila melanogaster. Aber Würmer? Und dann noch diese? Kaum jemand kannte die Gattung, und wenn, dann als Witz der Natur, die zwei Geschlechter in einen Schlauch gestopft hatte. Doch Brenners Ruf war beachtlich. Der Mann lebte im Labor, von morgens bis lange nach Mitternacht. Der Rat entschied, ihm mehr Platz und Mitarbeiter zu geben. Sollte er seinen Wurm erforschen.

Zwei Jahre baute Brenner eine Zucht auf. Vereinzelt traten dabei Würmer auf, die sich in schlängelnden Schwüngen an andere schmiegten, bis sie an der Vulva ankamen. Männchen, keine Zwitter.

Konnte Brenner gut brauchen. Männchen machten es leichter, Zuchttiere miteinander zu kreuzen. Den Grundstock seiner Zucht – allesamt Nachkommen eines zufällig ausgewählten Wurms – nannte Brenner Stamm N2. Dann gruppierte er Mensch und Material: Seine Technikerin Muriel Wigby sollte lebende Würmer studieren und sie genetisch analysieren. Sein Techniker Nichol Thomson sollte an toten Tieren arbeiten und ein Modell ihres Nervensystems anfertigen. Brenner selbst arbeitete an allen Fronten. 1965 waren sie so weit.

Jetzt begann Brenner, Mutanten zu jagen. In jenen Jahren erforderte Genetik in erster Linie Logik. Mutantenjagd war eine bewährte Methode. Unter sich sprachen Genetiker von Allelen, aber Laien erklärten sie den Ansatz mit einem Gedankenspiel: Angenommen, man wüsste nichts über Autos. Beobachtung zeigt, dass sie fahren. Aber wie und warum – ein Rätsel. Hätte man jedoch Hunderte Autos zur Hand, wäre es möglich, ihre Funktionsweise abzuleiten, indem man sie systematisch zerstört: einfach ein Bauteil rausreißen und beobachten, wie ein Auto ohne dieses Teil fährt. Vielleicht war es die Kühlwasserpumpe. Dann fährt das Auto weiter, aber nicht sehr lange. Vielleicht war es die Einspritzpumpe, dann fährt es gar nicht. Vielleicht die Batterie – dann fährt das Auto, aber sobald es abstirbt, springt es nicht mehr an. Auf diese Art lässt sich logisch erschließen, welches Teil welche Funktion erfüllt. Braucht nur Zeit. Viel Zeit. Und Autos. Sehr viele Autos.

Zeit verlebte Brenner im Labor. Und Würmer hatte er Hunderttausende. Seine Technikerin und er störten sie während des Wachstums, um Mutanten unter ihrer Brut hervorzurufen – Würmer, die anders aussahen oder sich anders bewegten, weil irgendwo im Erbgut ein Gen kaputtgegangen war. Sie versuchten vieles. Sie setzten Würmer starker Hitze aus. Sie wuschen sie in Chemikalien. Sie gaben Gift in ihre Schalen. Und – die wilden Sechziger! – Drogen. Auf Cannabis zeigten Würmer keine Wirkung. Auf LSD auch nicht. Aber eines Morgens war alles LSD aus dem Kühlschrank des Labors verschwunden. Niemand fragte nach. Klar war: Die Würmer hatten es nicht geschluckt.

Brenners Techniker köpfte währenddessen tote Würmer. An ihrer Spitze saß nahe des Schlunds, mit dem sie fraßen, ein Nervenkranz, der sich im Körper verzweigte. Brenner wünschte ein Modell davon. Dazu wurden Würmer in Fixiersäure gebadet, getrocknet, in Kunstharz gegossen. Daraus schnitt der Techniker winzige Rollen, die einen einzelnen Wurm einschlossen wie Bernstein. Dann spannte er die Rolle in ein Mikrotom – eine Art klitzekleine Guillotine, die mit Klingen aus Diamant arbeitete. Anfangs schlug er Würmern nur den Kopf ab, um zu prüfen, ob sich die Nerven schön im Querschnitt zeigten. Sie taten es. Daraufhin schnitt er die Würmer in Scheibchen, dünner als dünn – aus einem Millimeter Wurm wurden 3000 Schnitte. Das allein dauerte drei Tage. Danach fotografierte er jedes Scheibchen unter einem Elektronenmikroskop. So schuf er Bild für Bild eine Bibliothek des Wurms. Vergrößert besaßen die Fotos eine bizarre Schönheit. Das Innere des Wurms wirkte wie eine fremdartige Landschaft, durch die dunkle Flüsse flossen.

Die Jagd auf Mutanten war zäh. Ein Wurm zeugte in zehn Tagen mehrere Zehntausend Nachkommen. Alle mussten Brenner und Wigby in Augenschein nehmen. Wie Mönche im Gebet saßen sie Tag für Tag übers Mikroskop gebeugt, um die winzig kleine Welt in den Schalen zu beobachten. Jeder Eingriff in dieses Liliput erforderte die ruhige Hand eines Chirurgen. Als exzellentes Werkzeug erwiesen sich Zahnstocher. Die Würmer ließen sich damit sortieren, ein diffiziler Akt, da sie im Inneren ihrer Haut unter Druck stehen – ein Pikser, und sie platzten. Um Tiere auf Reaktion zu testen, eignete sich eine Peitsche aus einer einzelnen Wimper. Wichtig war, alles steril zu halten. Wenn Pilze in eine Petrischale gelangten, krochen die Würmer deren wuchernde Stängel empor und wackelten mit ihren Köpfen, als wollten sie das riesige Auge ihres Betrachters am anderen Ende des Mikroskops grüßen.

Anfang Oktober 1967 entdeckte Wigby einen Wurm, der deutlich plumper war als andere. Seine Nachkommen blieben plump. Sie hatte den ersten Mutanten gefunden. Sie taufte ihn »Dumpy«. Wenig später fand Brenner einen zweiten, der sich drollig bewegte. Nach und nach tauchten längere, kürzere und rollende Mutanten auf, die sich im Kreis drehten, bis sie Krater in ihre Nährböden schraubten. Kreuzte man sie mit nicht mutierten Ahnen, ließen sich Art und Sitz einzelner Gene erschließen. Mit genug Mutanten, hoffte Brenner, ergäbe das eine grobe Karte der Erbinformation.

Sein Plan sah vor, diese Karte mit dem handfesten Modell des Nervensystems zu kombinieren. Doch die Arbeit daran stockte. Brenner holte eine weitere Technikerin zu Hilfe, Eileen Southgate. Sie reihte die Bilder aus dem Inneren des Wurms aneinander, wie eine Serie Dias. Dann spürte sie den Nervensträngen darauf nach, von Foto zu Foto, von Scheibchen zu Scheibchen. Sie suchte jede Zelle. Sie nummerierte jede Verzweigung. Sie zeichnete jede Verknüpfung ab. An guten Tagen schaffte sie hundert Bilder. Der Bruchteil eines Bruchteils eines Wurms. Das war keine Wissenschaft mehr. Das war Meditation.

Ende der Sechzigerjahre warb Brenner weitere Wissenschaftler an. Forscher, die er damals in sein Reich aufnahm, beschrieben ihn als Rattenfänger auf Speed. Er rauchte Kette, redete ohne Unterlass, rüstete das Labor mit dem alten Feuerleitrechner eines U-Bootes aus, um den Wurm automatisiert zu analysieren. Klappte nicht. War egal. Schaffte er eben einen »Modular 1«- Maschinenrechner an, der das halbe Erdgeschoss einnahm. Klappte auch nicht. War egal. Dann mit Hand und Verstand.

Brenners wichtigster Fang war ein bärtiger Mann mit wildem Haar, der aussah wie ein Hippie: der Chemiker John Sulston. Sulston war Brenners Gegenstück. Sehr still. Sehr besonnen. Auf eine Weise brillant, die sich nicht beweisen muss. Sulston entdeckte, wie man Würmer in Stickstoff einfror. Er berechnete die Menge der Basenpaare ihrer DNS. Aber die Krönung seiner Arbeit war ein Schritt, den alle übersehen hatten. Die Würmer waren gefangen, bebrütet, gezüchtet worden, man hatte sie über Hunderte Generationen hinweg gekreuzt, getrocknet, gefroren, mit Wimpern ausgepeitscht, in Kunstharz gegossen und mit Feuerleitrechnern analysiert, sie wurden erhitzt, vergiftet, in Säure gebadet, unter Drogen gesetzt, in Chemikalien gewaschen, geköpft, in Scheiben geschnitten und mit sterilen Zahnstochern zum Platzen gebracht – doch erst Sulston sah ihnen zu, wie sie wuchsen.

Eines Freitags legte er – letzte Sache vor dem Wochenende – einen gerade geschlüpften Wurm unter ein Mikroskop mit speziellen Linsen. Ihm war aufgefallen, dass er Würmern damit nicht nur in das Innere ihrer Körper, sondern sogar in das Innere ihrer Zellen sehen konnte. Nun stellte er sein Mikroskop auf den vorderen Nervenstrang scharf – und tatsächlich: Er sah, wie sich Zellen zu teilen begannen. Das Wurmbaby wuchs. Er hatte als erster Mensch Zellteilung in einem lebenden Tier beobachtet! Sulston sah Stunde um Stunde zu, am Abend nahm er Mikroskop und Wurm mit nach Hause. Ein Wurm braucht 36 Stunden, bis er ausgewachsen ist. Sulston beobachtete ihn sein ganzes Wochenende, über das Mikroskop gebeugt. Dabei bemerkte er, dass im Zuge der Zellteilungen vier der neuen Zellen wieder verschwanden. Sie starben. Wie auf Befehl. Eine Sensation. Sulston hatte im Wurm entdeckt, was die Medizin bis heute im Menschen erforscht, um Krankheiten wie Krebs zu verstehen – den programmierten Zelltod.

Nun zog die Kunde von den Würmern Kreise: Da versuchten welche, ein mehrzelliges Wesen komplett zu kartografieren – Zellen, Nerven, Erbgut! Weitere Forscher wagten sich an den Wurm. 1974 veröffentlichten Brenner und Sulston Aufsätze, in denen sie 300 Mutanten des Wurms beschrieben und die Menge seiner DNS berechneten. 1975 bekam der Wurm eine eigene Fachzeitung, die Worm Breeders’ Gazette. 1977 zeigte Sulston die Abstammung jeder Zelle des erwachsenen Wurms. 1986 war – nach 14 Jahren der Meditation – das komplette Nervensystem kartografiert, ein legendärer Erfolg: Der Aufsatz mit dem Schaltplan aller Nervenzellen war so lang, dass ihn zunächst keine wissenschaftliche Zeitschrift drucken konnte – 340 Seiten. Jetzt war der Wurm berühmt. Weil er so gut vermessen war, streute er in weitere Forschungsfelder, und mit jeder neuen Entdeckung wuchs sein Stellenwert als Modellorganismus: Seine Muskelbewegungen wurden ergründet, seine Verdauung untersucht, sein Stoffwechsel aufgeschlüsselt. 1998 wurde Caenorhabditis elegans der erste Mehrzeller, dessen Erbgut in Gänze ausgelesen war. 2002 bekam der Wurm den ersten von drei Nobelpreisen. Brenner und Sulston nahmen ihn an. Brenner hatte sich zu diesem Zeitpunkt schon lange von seinen Würmern zurückgezogen. In seinen Augen war das alles nur noch Aufräumarbeit gewesen.

Sydney Brenner, geboren 1927 in Südafrika, nannte den Fadenwurm »das Geschenk der Natur an die Wissenschaft«. Er etablierte das Tier als Modellorganismus und erkannte an ihm grundlegende Mechanismen des Lebens.

John Sulston, geboren 1942 in England, entschlüsselte das Erbgut des Fadenwurms. Damit war C. elegans der erste Mehrzeller, bei dem dies glückte. Später arbeitete -Sulston an der Sequenzierung des menschlichen Genoms mit.

Foto: Hinrich Schulenburg, Antje Thomas, Zoologisches Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel


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Roland Schulz

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