Der Nobelpreis für Chemie 2020 war unvermeidbar. Doch er bringt auch Überraschungen und wird Kontroversen hervorrufen. Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna erhalten den Preis für den vermutlich bedeutendsten wissenschaftlichen Durchbruch des 21. Jahrhunderts, die »Genschere« CRISPR-Cas9. Sie erlaubt es, das Erbgut gezielt an ausgewählten Stellen in gewünschter Weise zu verändern. Es ist eine Entdeckung wie aus der Sciencefiction.

Bereits jetzt hat die erst acht Jahre alte Methode die medizinische Forschung revolutioniert. »Sowohl für die Stammzellforschung als auch Entwicklungsbiologie und Forschung an verschiedenen Krankheiten ist die Technik nicht mehr wegzudenken«, erklärt Alexander Meissner, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin.

Doch die enormen Möglichkeiten der Technik haben auch Konflikte hervorgebracht – nicht zuletzt einen jahrelangen Streit um lukrative Patente. Bis heute laufen die juristischen Auseinandersetzungen zwischen Charpentier, Doudna und ihren Universitäten auf der einen Seite sowie dem MIT und Feng Zhang auf der anderen, der wenige Monate nach Doudna und Charpentier ebenfalls auf das Potenzial von CRISPR stieß.

Wer entdeckte CRISPR-Cas9?

Zhang zeigte zusammen mit George Church von der Harvard Medical School, dass die Technik nicht nur in Bakterien, sondern auch in Eukaryoten wie Pflanzen und Tieren funktioniert. Dieser Nachweis ist den nun gekürten Laureatinnen nicht gelungen. Dass nun weder Zhang noch Church am Nobelpreis beteiligt werden und sich die Auszeichnung ausdrücklich nur auf die Entwicklung des grundsätzlichen Prinzips von CRISPR-Cas9 bezieht, ist angesichts der Bedeutung für die Medizin sicher unerwartet.

Die Einschränkung mag als Maßnahme des Nobelkomitees gewertet werden, sich dem Streit zu entziehen. Allerdings reicht das Problem tiefer; der Fall CRISPR-Cas9 zeigt wieder einmal, wie groß die Lücke zwischen der vom Nobelpreis verkörperten Fiktion der individuellen Entdeckung einzelner und der Realität der modernen Forschung ist. Neben Doudna und Charpentier machte ein Team um den Litauer Virginijus Šikšnys nahezu zeitgleich die gleiche Entdeckung – und hatte einfach Pech. Sein Artikel wurde von einem Journal abgelehnt, und so erschien er vier Monate später als jener der Laureatinnen.

Im Zentrum der Entdeckung steht eine besondere Genregion, die »clustered regularly interspaced short palindromic repeats« – CRISPR. Nach der Entdeckung dieser Region beim Bakterium Escherichia coli zeigte sich bald, dass das Motiv in sehr vielen Bakterien und auch Archaeen vorkommt. Zusammen mit den benachbarten Cas-Genen bildet es ein uraltes, aber lernfähiges Immunsystem. Es speichert virale DNA und zerschneidet jedes in die Zelle eingedrungene Erbgut, das der in CRISPR gespeicherten Vorlage entspricht.

Doch lange schien CRISPR eben nur das zu sein – ein uraltes Immunsystem bei Bakterien, zweifellos spannend, aber nicht bahnbrechend. Bis 2012. In jenem Jahr machten Charpentier, damals an der Universität Umeå in Schweden, und Doudna von der University of California in Berkeley eine entscheidende Entdeckung. Sie fanden heraus, wie man die ausgefeilte und komplexe Maschinerie des bakteriellen CRISPR-Systems überflüssig macht – und mit lediglich einem Cas9-Enzym und einem maßgeschneiderten RNA-Molekül jede beliebige Gensequenz an der gewünschten Stelle durchtrennt.

Das ist deswegen so interessant, weil die Zelle sofort versucht, den Schnitt wieder zu reparieren – und das kann man nutzen, um gewünschte Veränderungen einzuführen. Bei einer Variante der DNA-Reparatur, dem »non-homologous end joining« (NHEJ), entstehen Fehler, die das betroffene Gen unbrauchbar machen. Bereits das ist für die Forschung schon sehr praktisch. Die zweite Variante ist potenziell noch mächtiger. Bei der homologen Reparatur benutzt die Zelle eine Vorlage, um den Schaden zu beheben. Und als Vorlage kann man ihr im Prinzip jedes beliebige Stück Erbgut unterschieben.

Mit dieser Erkenntnis hatten Fachleute ein Werkzeug zur Hand, das die Möglichkeiten der bisherigen Gentechnik bei Weitem übertraf. Denn bis dahin war die präzise Veränderung an gewünschten Stellen des Erbguts Sciencefiction; die Wirklichkeit sah anders aus. Die Gentechnik vor CRISPR-Cas9 bestand im Wesentlichen darin, mit recht rabiaten Methoden das Erbgut irgendwie irgendwo zu verändern und zu hoffen, dass das Ergebnis den Erwartungen entsprach.

Ungeahnte Präzision für schnellere Forschung

Doch mit CRISPR-Cas9 besitzt die Gentechnik zum ersten Mal ein Präzisionsinstrument – mit dramatischen Konsequenzen. Die Erforschung des Erbguts ist nicht nur genauer geworden, sondern um ein Vielfaches schneller. »Allein unser Labor hat das zusammengerechnet sicher Jahre gespart und Projekte ermöglicht, die sonst nicht durchführbar sind«, sagt Meissner. Nicht zuletzt öffnet die neue Präzision die realistische Perspektive, in Zukunft auch das Erbgut des Menschen routinemäßig zu verändern. Eine Perspektive, die vielen Menschen Hoffnung macht – und manchen Angst.

Dass von CRISPR eine Revolution ausgehen würde, war natürlich nicht zu erkennen, als 1987 eine japanische Arbeitsgruppe bei der Analyse eines Enzym-Gens zufällig darauf stieß. Aber die Struktur des Erbgutabschnitts war so ungewöhnlich, dass das Team den unverhofften Fund im letzten Absatz ihres Berichts erwähnte. CRISPR besteht aus sich in regelmäßigen Abständen wiederholenden Abfolgen von Basen, die eine merkwürdige Eigenschaft aufweisen: Sie erinnern entfernt an Palindrome, also an Wörter wie »Regallager«, die sich sowohl vorwärts als auch rückwärts lesen lassen. Die erste Hälfte der DNA-Sequenz ist dabei genau komplementär zur zweiten, so dass im Doppelstrang die Reihenfolge der Basenpaare in beiden Richtungen gleich ist.

Getrennt werden die sich wiederholenden Erbgutsequenzen durch kurze Erbgutabschnitte, die sich untereinander ebenso wie von den Palindromen unterscheiden. Zusätzlich wird CRISPR immer von einer bestimmten Genfamilie begleitet, den CRISPR-assoziierten Genen namens Cas. Die Funktion dieses so weit verbreiteten Genkomplexes wurde 2005 klar, als mehrere Arbeitsgruppen zeigten, dass viele der kurzen Genabschnitte aus Viren und anderen übertragbaren Fremdgenen stammen: CRISPR musste eine Art Verteidigungssystem sein.

In den folgenden Jahren untersuchten Fachleute nach und nach, wie dieses uralte, ausgefeilte Immunsystem, geleitet von RNA-Kopien der in CRISPR eingefügten Fremdgene, in die Zelle eingedrungene DNA zerschneidet. Das System »erntet« virale DNA und fügt kurze Abschnitte davon zwischen den sich wiederholenden Palindromsequenzen ein. Dort funktionieren sie wie ein molekulares Gedächtnis, das das Protein Cas9 – die eigentliche Genschere – zu viraler DNA geleitet und es dazu bringt, das fremde Erbgut zu zerschneiden.

Wie man ein Immunsystem eindampft

Doch so einfach, wie es klingt, ist es nicht. Denn wie Charpentier und Doudna feststellten, müssen dazu im natürlichen System mehrere Komponenten zusammenkommen und eine Reihe von Verarbeitungsschritten absolvieren. Eine dieser Komponenten identifizierte Emmanuelle Charpentier im Jahr 2011: ein RNA-Molekül namens tracrRNA. Das ist zwar nicht Teil von CRISPR, steht aber offensichtlich im Zusammenhang damit. Ein Teil seiner Basenabfolge entspricht den wiederholten Palindromen in CRISPR.

Wie Charpentier dann feststellte, lief das CRISPR-System ohne tracrRNA nicht rund. Der Grund: Die Zelle übersetzt erst einmal die gesamte CRISPR-Sequenz in einen einzelnen langen RNA-Strang. Der muss anschließend in einzelne Stücke, als crRNA bezeichnet, geschnitten werden. Sie enthalten jeweils die Zielsequenz für eine einzelne Sorte von Fremd-DNA. Bei diesem als Reifung bezeichneten Prozess ist, wie Charpentier herausfand, tracrRNA unverzichtbar.

Nach dieser Erkenntnis taten sich Charpentier und Doudna zusammen, um den nächsten Schritt in der Funktion des CRISPR-Cas9-Systems zu untersuchen: wie die einzelnen Stücke der CRISPR-RNA dazu beitragen, dass zu ihnen passende Fremd-DNA zerstört wird. Bekannt war, dass das Protein Cas9 dafür nötig ist. Außerdem zeigten sie, dass die Sequenz der crRN  – genauer gesagt, die Erbgutschnipsel zwischen den Palindromen von CRISPR – Cas9 an die zu schneidende Stelle führen. Sollte es ausreichen, die crRNA mit Cas9 zusammenzubringen, um den Schneidprozess auszulösen?

Revolution mit Hindernissen

Die Antwort war Nein, fanden Charpentier und Doudna heraus. Grund war Charpentiers alte Bekannte, die tracrRNA. Doch die erwies sich auch als Lösung des Problems. Die Forscherinnen erkannten 2012, dass ein Teil dieser RNA für diese Funktion entscheidend ist – und dass man diesen einfach an die crRNA koppeln kann. Kurz gesagt zeigten sie in ihrer Veröffentlichung, wie man eine künstliche RNA baut, die Cas9 dazu bringt, ein beliebiges Erbgut an einer beliebigen Stelle zu schneiden.

Heute ist aus einem bakteriellen Immunsystem ein Universalwerkzeug der Gentechnik geworden – und ein wiederkehrender Streitpunkt. Denn die enormen Möglichkeiten der Technik wirbeln nicht nur die Forschung rund ums Erbgut – auch des menschlichen – durcheinander, sondern auch die ethischen Debatten, die sich an der Gentechnik entzünden. Zum Beispiel streiten Fachleute bis heute, ob mit CRISPR-Cas9 veränderte Nutzpflanzen unter die EU-Gentechnik-Verordnung fallen.

Die entsprechende Rechtsvorschrift stammt noch aus den 1990er Jahren, als gentechnisch veränderte Pflanzen wegen der vergleichsweise grobschlächtigen Techniken noch klar als solche identifizierbar waren. Eine mit CRISPR-Cas9 modifizierte Pflanze dagegen ist erst einmal nicht in jedem Fall von einer natürlich entstandenen Variante zu unterscheiden. Ein Gerichtsurteil von 2018 klärte zwar die Rechtslage, keinesfalls aber das grundsätzliche Problem.

Noch dramatischer ist die Lage, wenn es um genetische Veränderungen am Menschen geht. Vor kaum einem Jahrzehnt waren derartige Experimente bestenfalls hypothetisch; heute sind sogar Veränderungen der menschlichen Keimbahn schon in Reichweite. Spätestens die – zwischenzeitlich angezweifelte – Meldung aus China, zwei mit CRISPR-Cas9 veränderte Babys seien gesund geboren worden, demonstriert das Problem, das die neue Technik geschaffen hat.

Und das ist erst der Anfang einer Entwicklung, deren weiterer Verlauf kaum absehbar ist. Nicht zuletzt werden auch die verwendeten Methoden weiterentwickelt – kaum überraschend nach inzwischen immerhin acht Jahren. Fachleute arbeiten bereits an verbesserten Systemen mit neuen Möglichkeiten. So sei die gezielte Veränderung einzelner DNA-Bausteine noch nicht voll ausgereift, erklärt Alexander Meissner. Auch epigenetische Veränderungen, also chemische Markierungen am Erbgut, ließen sich noch nicht gezielt manipulieren. »Hier gibt es eine Menge Potenzial und sicher gute Lösungen in den kommenden Jahren.«

Weniger absehbar ist, wo die Lösungen für die von CRISPR-Cas9 aufgeworfenen politischen und ethischen Probleme herkommen. Die Befürchtungen rund um genetische Veränderungen am Menschen mögen manchmal übertrieben sein – unberechtigt sind sie nicht. Und auch die Frage, was noch natürlich, was künstlich ist, wird sich dank CRISPR in Zukunft dringender stellen. Aus dem Weg gehen kann man diesen Problemen sicher nicht. Möglicherweise ist die von Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier angestoßene technische Entwicklung tatsächlich nur der Anfang einer echten Umwälzung unseres Selbstverständnisses – der eigentlichen CRISPR-Revolution.