Das Karriereportal für Wissenschaft & Forschung von In Kooperation mit DIE ZEIT Forschung und Lehre

Mit Zellkulturen im Labor - ein Tag mit Doktoranden der biologischen Forschung

Von Anke Wilde

Einmal Maus im Laboralltag spielen - als Petya, MinChi und Frank diesen Vorschlag hören, schlucken sie erst einmal. Denn Mäusen fällt in der biologischen Grundlagenforschung für gewöhnlich eine ganz andere Rolle zu - als Testobjekte. Doch einen ausführlichen Blick über ihre Schulter lassen die drei Doktoranden bereitwillig zu. Er offenbart vor allem eins: im Labor braucht man viel Geduld und einen langen Atem.

Mit Zellkulturen im Labor – ein Tag mit Doktoranden der biologischen ForschungDie Neurobiologin Petya Georgieva promoviert am Max-Delbrück Center zum Thema Mikrogliazellen
Es ist ein Labor wie aus den Träumen eines Chemielehrers: Weiß gekachelte Arbeitsplätze, unzählige Röhrchen, Kolben und Flaschen in den Regalen, nur läuft im Hintergund noch ein Radio. Kaum hat Petya Georgieva sich frische Latexhandschuhe angezogen und ihre Proben und Geräte um sich herum angeordnet, versinkt sie ganz in einer eigenen Welt. Die Arbeitsschritte der gebürtigen Bulgarin folgen dem immer gleichen Ablauf: Pipette mit einem Rädchen auf die gewünschte Flüssigkeitsmenge justieren, neue Spitze drauf, Substanz ansaugen und in ein Reagenzglas einfüllen. Dann ein Klick an der Pipette, die Spitze fällt in einen Tischmülleimer, und wieder das gleiche Procedere von vorn.

Petya ist Neurobiologin und schreibt in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Helmut Kettenmann am Max-Delbrück-Centrum für molekulare Medizin in Berlin ihre Doktorarbeit. Die Arbeitsgruppe hat einen ganz bestimmten Zelltypus zum Schwerpunkt: die Mikrogliazellen. Im gesunden Gehirn passen sie auf, dass alle anderen Zellen korrekt arbeiten. Proteine an ihrer Oberfläche verraten ihnen zum Beispiel, wenn eine Zelle auf Abwege gerät und ihr biochemisches Umfeld verändert. Daraufhin lösen die Mikrogliazellen in ihr den natürlichen Zelltod aus. Tumorzellen aber stoppen diesen Schutzmechanismus des Gehirns. Und nicht nur das: Bei Krebserkrankungen polen die Tumorzellen die Mikrogliazellen regelrecht um und bringen sie dazu, die bösartigen Zellen sogar noch bei ihrem ungebremsten Wachstum zu unterstützen. Eine Heilung gibt es für diese Krankheit noch nicht, und Betroffene haben nach der Diagnose in den meisten Fällen nur noch wenige Monate zu leben.

Der lange Weg zum Experiment

Petya interessieren die grundlegenden Eigenschaften der Mikrogliazellen im kranken wie im gesunden Hirn. Mikrogliazellen haben unterschiedliche Aktivierungszustände, sagt sie. Welche Unterschiede es da gibt und wie die Zellen vom einen in den anderen Zustand gelangen, das ist Thema ihrer Doktorarbeit. Ursprünglich wollte sie eine andere Fragestellung bearbeiten, aber ihre Experimente führten nicht zum erwarteten Ergebnis, ein neues Thema musste her. Manchmal muss man sich einfach eingestehen, dass man nicht weiterkommt, meint die 27-Jährige.

Die meisten Arbeitsschritte in der biologischen Forschung sind reine Routine. Die Experimente, die tatsächlich relevant für neue Erkenntnisse sind, müssen oft wochenlang vorbereitet werden. Heute will Petya ihre Zellproben darauf untersuchen, wie viele Zellen in ihnen tatsächlich enthalten sind. Das erkennt sie an der Konzentration von Proteinen. Um die zu bestimmen, gibt es ein fertiges Untersuchungskit, ein Komplettpaket mit den Chemikalien, die für das jeweilige Experiment nötig sind. Für viele Tests, die im molekularbiologischen Alltag anfallen, gibt es solche Kits - unverzichtbare und zeitsparende Helfer, hergestellt von Unternehmen, die sich auf solche Testsysteme spezialisiert haben.

Behagliche Bedingungen für die Zellen

Ein paar Laborräume weiter sieht MinChi Ku nach ihren Zellkulturen. Ebenso wie Petya promoviert die Taiwanesin bei Helmut Kettenmann, allerdings hat sie ihre Doktorarbeit schon vor zwei Monaten fertig gestellt. Ihr Thema: die Interaktion zwischen Mikrogliazellen und Tumorzellen. Dabei hat sie ein spezielles Protein gefunden, das eigentlich für das Wachstum von Nervenzellen notwendig ist. MinChi fand in ihren Experimenten heraus, dass dieses Protein auch von den Tumorzellen freigesetzt wird und den Mikrogliazellen das Signal gibt, dass sie die Tumorzellen in ihrem Wachstum fördern sollen. Demnächst wird MinChi hier am MDC mit dem Postdoc beginnen, und so lange will sie noch einige Nebenprojekte verfolgen. Die Forschungsarbeit höre nie auf, sagt die 34-Jährige.

Ihre Zellkulturen lagern in einem speziellen Brutschrank, der aussieht wie ein Kühlschrank, in dessen Innerem aber konstant ideale Bedingungen von 37 Grad und 80 Prozent Luftfeuchtigkeit herrschen. Die Zellen sind wie Babys, sagt MinChi, sie sollen sich wohlfühlen und wachsen und darum auch nicht lange draußen bleiben. Für den Betrachter noch unsichtbar, schwimmen sie in einer rosa Nährlösung in kleinen verschlossenen Kunststoffschalen. Die Nährlösungen, mit denen die Zellkulturen regelmäßig versorgt werden, lagern im Kühlschrank und werden vor dem Füttern auf 37 Grad aufgewärmt, damit die Zellen keinen Kälteschock erleiden.

Am Mikroskop schaut MinChi, ob es ihren Zellkulturen auch wirklich gut geht. Sie hat verschiedene Zelltypen, eher dreieckige Mikrogliazellen von Mäusen und rundliche Tumorzellen aus einer für die Wissenschaft kultivierten menschlichen Zelllinie, die sie jeweils unterschiedlich behandelt hat. Entsprechend unterschiedlich sehen die Zellen aus: Manche sind größer, manche kleiner, obwohl sie zum selben Typ gehören. Und manche haben die Behandlung, die MinChi ihnen verpasst hat, nicht überlebt.

Später wird sie die Zellen mit speziellen Proteinen versorgen und beobachten, ob ihre Zellen sich zu ihnen hinbewegen oder nicht. Das passiert an Arbeitsplätzen, die durch eine Glasscheibe vom übrigen Laborraum getrennt sind. Nur unten sind etwa zwanzig Zentimeter offen, damit die Wissenschaftler frei hineingreifen und hinter der Scheibe hantieren können - mit behandschuhten Händen freilich, die sie vorher mit Alkohol desinfiziert haben. In dem Glaskasten herrscht etwas Überdruck, und durch ein Gebläse gleich an der Öffnung wird stetig gereinigte Luft hineingepustet - ein simpler Schutz gegen Staub und Keime aus der Raumluft, die sonst in Sekundenschnelle die Zellkulturen verunreinigen würden.

Designte Molekülketten

Unterdessen überprüft Frank Szulzewsky an seinem Computer eine DNA-Sequenz, die er für ein Experiment verändern muss. Der 27-jährige Biotechnologe ist erst seit einem Jahr in der Arbeitsgruppe von Helmut Kettenmann und promoviert wie MinChi zu den Interaktionen zwischen Mikrogliazellen und Tumorzellen. Bei seiner Arbeit steht im Fokus, inwiefern durch den Tumor das genetische Programm der Mikrogliazellen durcheinander gebracht wird und wie das im Zweifelsfall unterbunden werden kann.

Frank mag das sehr, sich am Computer seine Moleküle zurechtzudesignen, ganz wie er sie benötigt. Die DNA-Sequenz auf seinem Bildschirm kommt nicht als aufwändige Grafik daher. Es ist lediglich eine scheinbar wilde, über mehrere Zeilen gehende Kombination von nur vier ständig wiederkehrenden Buchstaben: A, C, G, T, den Bausteinen der DNA. Die Molekülkette enthält einen Abschnitt, der im Bauplan einer Zelle dafür sorgt, dass sie grün leuchtet. Allerdings wird Frank den Rest der Molekülkette abschneiden müssen, weil dort schon wieder Bauanweisungen für die Zelle enthalten sind, die er nicht braucht. Beim Schneiden helfen ihm sogenannte Restriktionsenzyme, die an einem Abschnitt der DNA mit einer spezifischen chemischen Zusammensetzung ansetzen. Mit seinem Computerprogramm kann der Biotechnologe diese Bereiche in der Nachbarschaft der Grünmach-Sequenz ausfindig machen.

Zwischenschritt auf dem Weg zum Experiment

Die Restriktionsenzyme will er heute noch bei einem Zulieferer bestellen. Nächste Woche wird er sie als Lösung in einem Fläschchen erhalten. Die mischt er dann mit der Flüssigkeit, in der sein DNA-Molekül schwimmt. Am Ende der Reaktion erhält er den fein säuberlich zugeschnittenen Grünmach-Schnipsel. Auch das gehört zur Routine von Biotechnologen - mehr oder weniger blind Reaktionen zwischen verschiedenen Substanzen in Gang zu bringen, die man nicht sehen kann und bei denen man ein gutes Stück weit auf die Expertise anderer vertrauen muss.

Die zugeschnittene Sequenz wird er noch nächste Woche in Bakterien einpflanzen. Die Bakterien vermehren sich und vervielfältigen dabei kostengünstig die Molekülkette, die die Zellen grün leuchten lässt. Dann bringt Frank sie in Viren ein, die mitsamt dem Grünmach-Molekül seine Zellkulturen infizieren. Wenn alles klappt, werden die Zellen am Ende genau das tun, was er will: grün leuchten, was heißt, dass sie in einer komplexeren Zellkultur unter dem Mikroskop besser identifizierbar sind. Alles in allem ein gentechnisches Projekt, das über mehrere Wochen geht.

Dabei spielen die Kollegen eine wichtige Rolle im Labor, ein fester Zusammenhalt sei es, der auch mal Niederlagen besser meistern lässt. Jeder von ihnen hat sie schon oft erlebt, diese Rückschläge, die man einstecken muss, weil ein Experiment partout nicht gelingen mag oder weil ein einmal eingeschlagener Weg sich als Sackgasse herausstellt. Der fachliche Rat oder einfach das Verständnis der Kollegen ist da viel wert.

Der Punkt, an dem alles sichtbar wird

MinChi geht derweil einer ihrer Lieblingsbeschäftigungen nach - dem Visualisieren von Prozessen, die im Gewebe stattfinden. An einem sogenannten konfokalen Mikroskop, deren Einzelpreis gut und gerne im sechststelligen Bereich liegt, lässt sie einen krebsbefallenen Bereich aus einem Mäusegehirn vergrößern und einscannen. Die bunten Bilder, die dabei entstehen, verdeutlichen den ungemeinen Fortschritt, den die Biotechnologie im Laufe weniger Jahrzehnte durchlaufen hat.

Die Mäuse, die MinChi für ihre Tests verwendet, sind gentechnisch verändert. In ihren genetischen Code wurden spezielle Marker eingefügt - eben solche, wie Frank zuvor einen am Computer gezeigt hat - die bewirken, dass jeder Zelltyp des Gehirns eine eigene Farbe bekommt. Auch bestimmte Proteine, welche die Zellen produzieren, können gezielt angefärbt werden. Das an einen Computer angeschlossene Mikroskop kann dabei die unterschiedlichen Farbspektren abdecken. Mit jedem einzelnen Scan wird also aus ein und demselben Bildausschnitt ein spezifischer Zelltyp oder ein bestimmtes Protein visualisiert, weil der eine oder das andere eben genau violett oder himmelblau oder giftgrün eingefärbt ist. Alle Scans übereinandergelegt ergeben eine Art Familienfoto, das all die Verbindungen und Animositäten zwischen den dargestellten Personen oder eben Zellen offenbart: wer sich gern mit wem einlässt, welche Machtmittel im Spiel sind, wer außen vor bleibt und wer die bestehenden Strukturen zu durchbrechen sucht. Oder, mit den Worten der Neurowissenschaftlerin MinChi, wie die Beziehungen zwischen der einen und der anderen Zelle sind, und welche Zelle und welcher Zelltyp in diesem Tumorgewebe welches Protein produziert. Auf jeden Fall ist dies der Punkt, an dem eine neue wissenschaftliche Erkenntnis möglich ist.

Menschen und Mäuse

Vor dem Abschied hat Petya noch eine Sache auf dem Herzen: Es geht um die Mäuse. Beim MDC wird gerade ein neues Tierhaus errichtet, und das bringt viele Tierschützer auf den Plan. Doch die Mäuse, sagt Petya, seien unbedingt nötig in der Forschung. Tierversuche würden unter der Bedingung gemacht, dass die Versuche in der Zellkultur erfolgreich abgeschlossen worden sind. Auch stehen sie unter strengen Auflagen und müssen für jedes Projekt einzeln begründet und von zuständigen Behörden genehmigt werden.Vorher seien sie ethisch nicht zu rechtfertigen und würden auch nicht durchgeführt. Wer allerdings auf Tierversuche verzichten will, hätte keine andere Wahl als einen Wirkstoff gleich am Menschen zu testen, und das wäre das größere Übel. Das Thema ist Petya sehr ernst. Darum es ist bislang nun einmal der Preis, den man zahlen muss, wenn man wirksame Mittel gegen den Krebs und andere schlimme Krankheiten finden will.

academics :: Oktober 2012

Ausgewählte Artikel