Drew Berry: Animationen der unsichtbaren Biologie

Ich möchte Ihnen die erstaunlichen molekularen Maschinen zeigen, die jede lebende Faser Ihres Körpers ausmachen. Moleküle sind wirklich sehr, sehr klein. Und mit klein, da meine ich, dass sie kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, so dass wir sie nicht direkt beobachten können. Die Wissenschaft gibt uns eine ziemlich gute Vorstellung, was auf molekularer Ebene passiert. Wir können Ihnen also von den Molekülen erzählen, aber wir haben keine Möglichkeiten, Ihnen diese direkt zu zeigen.

Eine Herangehensweise wäre, ein Bild zu zeichnen. Und diese Idee ist in Wirklichkeit nichts neues. Wissenschaftler haben immer Bilder eingesetzt, um ihren Denk- und Entdeckungsprozess zu unterstützen. Sie haben Bilder davon gemacht, was sie mit Ihren Augen durch Apparate wie Teleskope und Mikroskope beobachteten, und außerdem über die Dinge, über die sie nachdachten. Ich habe zwei bekannte Beispiele herausgesucht, weil diese für den Ausdruck von Wissenschaft mithilfe der Kunst bekannt sind.

Und ich möchte mit Galileo beginnen, der das erste Teleskop der Welt benutzte, um den Mond anzusehen. Und er hat unser Verständnis des Mondes verändert. Die Wahrnehmung im 17. Jahrhundert war, dass der Mond eine perfekte Himmelssphäre darstellte. Aber Galileo sah eine steinige, kahle Welt, welche er durch ein Aquarellgemälde abbildete.

Ein anderer Wissenschaftler mit bahnbrechenden Ideen, der Superstar der Biologie, war Charles Darwin. Und mit diesem berühmten Eintrag in sein Notizbuch beginnt er in der linken oberen Ecke mit, "Ich denke" und skizziert dann den ersten Lebensbaum, der seine Wahrnehmung ist wie alle Spezies, alle lebenden Dinge auf der Erde durch die Evolution miteinander verbunden – die Entstehung der Spezies durch natürliche Auslese und Divergenz zu der Ahnenpopulation.

Selbst als Wissenschaftler ging ich zu Vorlesungen von Molekularbiologen und fand diese absolut unverständlich, mit der ganzen technischen Sprache und dem Jargon, mit dem sie ihre Arbeit beschreiben, jedenfalls, bis ich die Kunst von David Goodsell entdeckte, der ein Molekularbiologe am Scripps-Institut ist. In seinen Bildern ist alles akkurat und alles maßstabsgerecht und seine Arbeit machte mir klar, wie die molekulare Welt in uns aussieht.

Dies ist ein Schnitt durch unser Blut. In der oberen linken Ecke sehen Sie ein gelb-grünes Areal. Das sind Flüssigkeiten im Blut, zum Großteil ist das Wasser, aber da sind auch Antikörper, Zucker, Hormone und so weiter. Die rote Region ist ein Schnitt durch eine Blutzelle. Und diese roten Moleküle sind das Hämoglobin. Sie sind wirklich rot; sie geben dem Blut seine Farbe. Hämoglobin ist wie ein molekularer Schwamm, der den Sauerstoff in Ihren Lungen aufsaugt und dann in die verschiedenen Teile Ihres Körpers trägt.

Ich wurde vor einigen Jahren stark durch dieses Bild inspiriert und fragte mich, ob wir Computergrafiken nutzen könnten um die molekulare Welt abzubilden. Wie würde das aussehen? Und so fing es an. Also lassen Sie uns beginnen.

Dies ist DNA in ihrer klassischen Doppelhelixform. Das Bild stammt von einer Röntgenkristallographie, es ist also ein akkurates Modell der DNA. Wenn wir die Doppelhelix in ihre zwei Stränge auflösen, sehen Sie, dass diese Dinge wie Zähne aussehen. Dies sind die Buchstaben des genetischen Codes, der 25.000 Gene, die in Ihre DNA geschrieben sind. Das meint man also, wenn man über den genetischen Code spricht – darüber wird dann gesprochen. Aber ich möchte über einen Aspekt der DNA-Forschung sprechen, und das ist die physische Erscheinung der DNA. Es sind diese beiden Stränge, die entgegengesetzt verlaufen, aus Gründen, auf die ich jetzt nicht eingehen kann. Sie verlaufen physisch in entgegengesetzte Richtungen, was einiges an Problemen für Ihre Zellen mit sich bringt, wie Sie gleich sehen werden, vor allem, wenn es um das Kopieren von DNA geht.

Was ich Ihnen jetzt zeigen werde, ist eine genaue Darstellung der DNA-Kopiermaschine und davon, was genau jetzt in Ihrem Körper passiert, zumindest nach Erkenntnissen der Biologie aus dem Jahr 2002. Die DNA betritt die Produktionsstraße von der linken Seite und trifft auf diese Struktur, biomechanische Mini-Maschinen, die den DNA-Strang auseinandernehmen und eine exakte Kopie anfertigen. Also die DNA kommt hinein und trifft auf diese blaue, gekringelte Struktur. Sie wird dort in zwei Stränge gerissen. Ein Strang kann direkt kopiert werden und Sie können sehen, dass hier etwas nach unten abgewickelt wird. Aber für den anderen Strang ist das nicht so einfach, weil er rückwärts kopiert werden muss. Also wird er wiederholt in Schleifen gelegt und ein Abschnitt nach dem anderen wird kopiert, um so zwei neue DNA-Moleküle zu schaffen.

Es gibt Milliarden dieser Maschinen, die gerade in Ihnen arbeiten, die Ihre DNA mit einer unglaublichen Genauigkeit kopieren. Das ist eine genaue Darstellung und hat das ungefähre Tempo des Originalvorgangs in Ihrem Körper. Ich habe die Fehlerkorrektur und einige anderen Dinge ausgelassen. Dies ist die Arbeit von vor einigen Jahren. Danke.

Dies ist die Arbeit von vor einigen Jahren, aber als nächstes zeige ich Ihnen aktuelle Forschung und Technologie. Also beginnen wir wieder mit der DNA. Und es wackelt dort aufgrund der Suppe von Molekülen, die ich weggelassen habe, damit Sie etwas sehen können. DNA ist ungefähr zwei Nanometer breit, was ziemlich winzig ist. Aber in jeder unserer Zellen ist jeder DNA-Strang um die 30 bis 40 Millionen Nanometer lang. Um die DNA geordnet und den Zugang zum Gencode reguliert zu halten, ist es um diese lila Proteine gewickelt – bzw. ich habe diese lila markiert. Es ist verpackt und aufgewickelt. Dieser komplette Ausschnitt ist ein einzelner DNA-Strang. Dieses riesige DNA-Paket nennt man ein Chromosom. Wir kommen gleich auf Chromosome zurück.

Wir vergrößern das Blickfeld, wir zoomen raus, durch eine nukleare Pore, welche der Zugang zu dem Teil, der die DNA beherbergt, ist und Nukleus genannt wird. Dieser gesamte Anblick ist ungefähr ein Semester Biologiestudium wert, ich habe sieben Minuten. Wir werden dies also nicht alles heute durchnehmen können? Nein, sagt man mir, "Nein".

So sieht eine lebende Zelle durch ein Lichtmikroskop aus. Und es ist im Zeitraffer gefilmt, daher können wir sehen, wie es sich bewegt. Die nukleare Hülle reißt auf. Wir konzentrieren uns auf diese wurstförmigen Dinger, die Chromosomen. Sie durchlaufen dieses sehr auffällige Bewegungsmuster, das sich auf die roten Punkte konzentriert. Wenn die Zelle bereit ist loszulegen, reißt es die Chromosome auseinander. Ein Teil der DNA geht auf die eine Seite, die andere Seite bekommt das DNA-Gegenstück – beides sind identische Kopien. Und dann zerteilt die Zelle sich in der Mitte. Und noch einmal, Sie haben Milliarden von Zellen, die diesen Prozess genau jetzt in Ihnen vollziehen.

Jetzt spulen wir zurück und konzentrieren uns auf die Chromosomen, schauen uns ihre Architektur an und beschreiben diese. Hier ist wieder der Moment der Teilung. Die Chromosomen reihen sich auf. Und wenn wir nur ein einzelnes Chromosom betrachten, wir ziehen es heraus und schauen uns seine Struktur an. Es ist eine der größten molekularen Strukturen, die Sie in sich haben, jedenfalls soweit wir das bis jetzt entdeckt haben. Dies ist ein einzelnes Chromosom. Und Sie haben zwei DNA-Stränge in jedem Chromosom. Einer ist zu einem Würstchen verwickelt. Der andere zu dem anderen Würstchen.

Diese Dinger, die so ähnlich wie Schnurrhaare aussehen und aus beiden Seiten ragen, sind die dynamischen Baugerüste einer Zelle. Sie heißen Mikrogefäße. Aber das ist unwichtig. Wir konzentrieren uns auf die rote Region – ich habe sie rot makiert – und es ist die Schnittstelle zwischen den dynamischen Baugerüsten und den Chromosomen. Es ist offensichtlich von zentraler Bedeutung für die Bewegung des Chromosoms. Wir haben keinen Schimmer, wie es diese Bewegung bewerkstelligt.

Wir haben dieses Ding studiert, es wird Bewegungskern genannt. Nach einhundert Jahren intensiver Studien sind wir immer noch ganz am Anfang zu verstehen, worum es überhaupt geht. Es besteht aus 200 verschiedenen Proteintypen, das macht Tausende von Proteinen ingesamt. Es ist ein System zur Signalübertragung. Es überträgt durch chemische Signale und sagt so dem Rest der Zelle, wann es bereit ist, wann es fühlt, dass alles aufgereiht und bereit zur Aufspaltung der Chromosomen ist. Es kann sich an wachsende und schrumpfende Mikrogefäße ankoppeln.

Es spielt selbst beim Wachstum von Mikrogefäßen eine Rolle und ist fähig, kurzzeitig an diesen anzukoppeln. Es ist außerdem in der Lage, Aufmerksamkeit zu spüren. Es spürt, wenn die Zelle bereit ist, wenn die Chromosomen ihre Position eingenommen haben. Hier wird es grün, weil es merkt, dass alles genau richtig ist. Und Sie sehen, dort ist das letzte kleine Stück, das noch rot ist. Und es wird durch die Mikrogefäße abgeleitet. Das ist das Stopsignal des Signalübertragungssystems. Es wird abgeleitet, und das auf mechanische Weise. Es ist ein molekulares Uhrwerk.

So funktionieren Sie auf molekularer Ebene. Als molekularen Augenschmaus haben wir hier die Kinesine, welche orange sind. Sie sind kleine molekulare Kuriere, die in eine Richtung laufen. Und dies sind die Dynien. Sie tragen das Übertragungssystem. Sie haben lange Beine, um Hindernisse umgehen zu können und so weiter. Noch einmal, dies sind alles akkurate, wissenschaftliche Ableitungen. Das Problem ist, dass es keine andere Möglichkeit gibt, dies darzustellen.

An neuem wissenschaftlichem Wissen zu arbeiten, sich an den Grenzen menschlichen Wissens zu bewegen, es ist überwältigend. Diese Dinge zu entdecken ist sicherlich ein angenehmer Anreiz des wissenschaftlichen Arbeitens. Aber die meisten medizinischen Forscher – die Entdeckung dieser Dinge ist einfach ein Schritt auf dem Weg zu großen Zielen, wie Krankheiten auszumerzen, wie Leiden und Miseren zu beseitigen, die Krankheiten verursachen, wie Menschen aus der Armut zu heben.

Vielen Dank.

(Applaus)