Chris Sander: Durch die Lupe der Evolution

„Nichts in der Biologie ergibt einen Sinn, außer im Licht der Evolution“, lautet ein oft zitierter Satz des amerikanischen Genetikers Theodosius Dobzhansky. Dass das gleiche auch für die Bioinformatik gilt, hat Chris Sander bewiesen. Erst der Blick auf die Entwicklung des Lebens ermöglichte es Sander, die räumliche Gestalt von Eiweißmolekülen (Proteinen) zu bestimmen – und damit eines der großen Rätsel der Biologie zu lösen, oder seiner Lösung zumindest deutlich näher zu kommen. Sander, einer der Begründer der Bioinformatik, forscht am Dana-Farber-Krebsinstitut der Harvard-Universität in Boston. Am gestrigen Freitag sprach er beim „Digital Science Match“ im Kosmos-Kino in Berlin darüber, wie er das Protein-Problem knackte.

Supercomputer scheiterten am Protein-Problem

Proteine sind die Bausteine und Handwerker des Lebens. Ihr Bauplan ist in den Erbanlagen aufgezeichnet. Beim Menschen enthalten 20 000 Gene die Informationen für die Proteine, deren Zahl durch spätere biochemische Veränderungen noch vervielfacht wird. Bei der Herstellung der Proteine in der Zelle wird aus der genetischen Information ein räumliches Molekül. Aus einer (Erbfaden) werden drei Dimensionen (Eiweiß).

Wie sich der aus einer langen Aminosäurekette bestehende Proteinfaden zu einem räumlichen Gebilde zusammenfaltet, ist eines der härtesten Nüsse der Biologie. Bisher war es nur unter größtem experimentellem Aufwand möglich, die räumliche Gestalt von Eiweißen offenzulegen – dabei sind sie extrem wichtig, wenn es etwa um die Entwicklung neuer Medikamente geht. Versuche, mit der brutalen Rechenpower von Supercomputern den Protein-Gipfel zu stürmen, scheiterten bislang.

„Man muss die Lupe der Evolution benutzen“, lautet Sanders Ausweg. Sie ermöglicht den Blick auf Daten, die über Milliarden von Jahren angesammelt wurden. Die Proteine sind nicht alle völlig verschieden. Sie gliedern sich in Familien, deren Mitglieder ähnlich aussehen. Sander zeigte das Beispiel eines Proteins, dessen Aminosäuresequenz sich über den Zeitraum von einer Milliarde Jahre immer wieder wandelte – und das sich dennoch auf die immer gleiche Weise faltete und so seine Funktion bewahrte. Trotz aller Veränderungen bewahrte die Evolution – genauer: die natürliche Auslese – bestimmte „Klebepunkte“ in der Aminosäurekette . An diesen haften zwei Aminosäuren zusammen und bilden zum Beispiel das Ende einer Schlaufe. Damit besteht ein überdauerndes räumliches Grundmuster, ein Faltplan, der für die Rekonstruktion des Proteins wesentlich ist.

Fortschritt ist Evolution plus Mathematik

Denkbar wurde dieser Griff in die Archive der Evolution erst, seit neue Sequenzierungstechniken das Entziffern von Genen en masse ermöglichten. Man braucht viele Mitglieder einer Proteinfamilie, um ihre Gemeinsamkeiten zu entdecken. Damit Sanders Plan aufging, benötigte er zudem noch „eine Seite“ Mathematik, wie er süffisant anmerkte. Mit Hilfe der von ihm entwickelten Formeln kann die wahrscheinliche Konfiguration des Proteins bestimmt werden. „Dazu braucht man keinen Supercomputer, sondern nur einen Laptop“, sagte Sander. Fortschritt ist Evolution plus Mathematik. Wer selbst Proteine falten will, bekommt das digitale Handwerkszeug unter www.evfold.org frei Haus. Die Zahl der auf diese Weise bestimmten Protein-Konformationen hat die 1000 längst überschritten.

Sanders Forschung ist extrem vielfältig. Ein weiterer Schwerpunkt – über den er in Berlin nicht berichtete – ist die genetische Analyse von Krebs und damit verbunden neue Wege, um die Resistenz von Tumorzellen, ihre Abwehrfähigkeit gegen Therapien, zu schwächen. Krebszellen sind „falsch programmiert“. Viele ihrer Erbanlagen sind mutiert, so dass Proteine gebildet werden, die krankhaft überaktiv oder funktionslos geworden sind.

Sander und seine Kollegen setzen auf Simulationen am Computer, die gemeinsam mit Zellexperimenten ermitteln sollen, welche Medikamente am besten die Resistenz eines Tumors überwinden können. Diese Aufgabe ist womöglich noch größer als jene, die räumliche Gestalt von Proteinen zu klären. Sollte sie eines Tages gelöst werden, wäre damit das Hauptproblem von Krebs beseitigt, das Leben von Millionen Menschen gerettet.

Aufnahme in die Hall of Fame of the Digital Age

Zu Beginn des „Digital Science Match“ wurde Sander von Christof Schütte, Präsident des Berliner Zuse-Instituts, als 76. Mitglied in die „Hall of Fame of the Digital Age“ aufgenommen. Eingerichtet wurde diese 2016 aus Anlass des 75. Geburtstags des Computers, der 1941 in Berlin von dem Erfinder Konrad Zuse vorgestellt wurde. In Berlin begann auch Sanders Karriere. Hier studierte er an der Freien Universität in den 1960er Jahren Physik und erstellte in einem Kellerraum sein erstes Computerprogramm – an einem Zuse-Rechner.

Sanders Programm errechnete die Quadratwurzel aus zwei, und das ziemlich korrekt: „1,414 lauteten die ersten Zahlen des Ergebnisses“, erzählte er stolz. Seine Begeisterung für die Wissenschaft hat ihn seitdem nicht verlassen, wie man seinem mitreißenden Vortrag anmerkte.