Der Genius hinter der biologischen Revolution „Revolutionen des
Werbung
„Revolutionen des europäischen Geistes im 20. Jahrhundert“! Der Genius hinter der biologischen Revolution! Prof. Dr. Theodor Dingermann! Institut für Pharmazeutische Biologie! Biozentrum! Max-von-Laue-Str. 9! 60438 Frankfurt am Main! [email protected]! Der Genius hinter der biologischen Revolution! Inhalt: ! biologischen Der Genius hinter der • Die geniale Entdeckung und der Beginn der biologischen Revolution Revolution • Der Genius hinter der biologischen Revolution ! • Alles begann mit Darwin • Mendel, ein kongenialer Zeitgenosse Darwins • Walter Flemming, ein Cytologe, mit einem Blick für bunte Dinger • Frederic Griffith und sein „transformierendes Prinzip“ • Erwin Chargaff, der unlucky looser • Der geniale Coup • Der intelligente experimentelle Beweis • Die erstaunliche Evolution des Eisfisches! Die geniale Entdeckung und der Beginn der biologischen Revolution! Die Revolution in den Biowissenschaften! 1953 entdeckten der Brite Francis Crick und US-Amerikaner James Watson, damals Wissenschaftler am Cavendish Laboratory in Cambridge, die Doppelhelix-Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA). Die Revolution in den Biowissenschaften! Sie wussten die Erkenntnisse zu nutzen, die Rosalind Franklin und Maurice Wilkins zur gleichen Zeit in der Medical Research Council Biophysics Unit des King's College in London gewonnen hatten. Die Revolution in den Biowissenschaften! Entdeckung der DNA im Jahre 1953 50 Jahre Entschlüsselung des humanen Genoms im Jahre 2001/2003 Vom Rennen um die DNA-Struktur bis zur Entschlüsselung des Humangenoms reihte sich Jahrzehnte lang eine molekularbiologische Sensation an die andere. Alles begann mit Darwin! Charles Darwin (1809 – 1882)! Darwins Erklärung der Evolution (1) In einer Population von Organismen gibt es Subpopulationen, die sich von anderen durch Variationen bestimmter Charakteristika unterscheiden. (2) Einzelne Individuen in solchen Subpopulationen unterscheiden sich von anderen dadurch, dass sie gegenüber anderen „fitter“ sind und sich zudem effektiver fortpflanzen. (3) Wenn diese Eigenschaften an die Nachkommen vererbt werden, wird sich diese Subpopulation gegenüber anderen durchsetzen. Kurz gesagt: Evolution ist gekoppelt an vergleichsweise effektiverer Reproduktion. Darwins Erklärung der Evolution! Reproduktion 4.000.000.000 Jahre Modifikation Selektion Der „Fossilienbefund“ als wichtigste Basis der Evolutionstheorie! Fossilien zeichnen in überzeugender Weise die Evolution nach und waren schon für Darwin eine entscheidende Basis für die Entwicklung seiner Evolutionstheorie. Wichtig: 1. Fossilien müssen Merkmale "zwischen" den heute existierenden Organismengruppen erkennen lassen. 2. Verknüpfungen müssen zeitlich geordnet sein. 3. Entwicklung muss von “einfach” nach “komplex” verlaufen und nicht umgekehrt. Aber was, wenn „Fossilienbefunde“ wichtig werden, die in der Größenskala der Moleküle liegen?! Der Genius! ∼ 100 Jahre Darwin 1859 Franklin Wilkins Crick Watson 1953 Mendel, ein kongenialer Zeitgenosse Darwins! Gregor Mendel, 1822 – 1884! Der Abt C. F. Napp (1792-1867) der Augustiner-Abtei in Alt Brünn nahm 1843 Mendel als Novize in sein Kloster auf. War das Zufall? Nein!! Brünn: Das intellektuelle Zentrum Europas Abt Napp: Präsident der Landwirtschaftlichen Gesellschaft und der Gesellschaft für Obstund Weinbau, die später in “Pomologische Gesellschaft” umbenannt wurde. Mendel sollte sich um Züchtungsprobleme kümmern! Gregor Mendel, 1822 – 1884! Gregor Mendels Versuchsobjekt: Die Gartenerbse (Pisum sativum). Seine Resultate publizierte er u.a. 1866 in der Schrift „Versuche über Pflanzenhybriden“. Mendels Experimente! 1. Modell testen Auswahl der Versuchspflanzen* Der Werth und die Geltung eines jeden Experimentes wird durch die Tauglichkeit der dazu benützten Hilfsmittel, sowie durch die zweckmässige Anwendung derselben bedingt. Auch in dem vorliegenden Falle kann es nicht gleichgiltig sein, welche Pflanzenarten als Träger der Versuche gewählt und in welcher Weise diese durchgeführt wurden. Die Auswahl der Pflanzengruppe, welche für Versuche dieser Art dienen soll, muss mit möglichster Vorsicht geschehen, wenn man nicht in Vorhinein allen Erfolg in Frage stellen will...... *Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47. Mendels Experimente! 1. Modell testen Auswahl der Versuchspflanzen* …Die Versuchspflanzen müssen nothwendig 1. Constant differirende merkmale besitzen. 2. Die Hybriden derselben müssen während der Blüthezeit vor der Einwirkung jedes fremdartigen Pollens geschützt sein oder leicht geschützt werden können. 3. Dürfen die Hybriden und ihre Nachkommen in den aufeinander folgenden Generationen keine merkliche Störung in der Fruchtbarkeit erleiden. *Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47. Mendels Experimente! 1. Modell testen Erbsen rund runzelig selfen = mit sich selbst kreuzen Genetisch reine Stämme Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp Mendels Experimente! 2. Kontrollkreuzung F0 Erbsen rund runzelig kreuzen runzelig war weg F1 Mendels Experimente! 3. Selfen F0 Erbsen rund runzelig kreuzen runzelig war weg F1 selfen runzelig ist wieder da F2! Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Mendels Experimente! 4. Zählen F0 Erbsen rund runzelig kreuzen runzelig war weg F1 5474! runzelig ist wieder da selfen 1850! 2,96/1 F2! Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Mendels Experimente! 5. Modell F0 Erbsen rund R/R runzelig kreuzen R/r runzelig war weg selfen runzelig ist wieder da r/r F1 R r R R/R R/r r R/r r/r R r R R/R R/r r R/r r/r Mendels Experimente! 6. Vorhersagen 1/3 R/R r/r F2! 2/3 R/r r/r F2! kreuzen Rund/runzelig: 1/0 R R r R/r R/r r R/r R/r Rund/runzelig: 1/1 R r r R/r r/r r R/r r/r *Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47. Gregor Mendel, 1822 – 1884! "Versuche über Pflanzenhybriden" Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Unabhängigkeitsgesetz: Unabhängige Vererbung einzelner Allele Walter Flemming, ein Cytologe, mit einem Blick für “bunte Dinger”! Walter Flemming, 1843 – 1905! Walter Flemming war ein deutscher Cytologe. Er setzt basische Farbstoffe bei seinen Forschungen ein und sieht erstmalig dünne Gebilde in den Kernen von Zellen, die gerade im Begriffe sind, sich zu teilen. Walter Flemming, 1843 – 1905! Walter Flemming gilt als Gründer der Cyotgenetik und er prägte 1979 die Begriffe Chromatin und Mitose. Chromosomale Theorie der Vererbung! 1885 – 1915! August Weismann Walter Sutton Theodor Boveri Thomas Hunt Morgan Alfred Sturtevant Frederic Griffith, und sein „transformierendes Prinzip“! Frederick Griffith, 1877 – 1941! Als Angestellter im britischen Gesundheitsministerium, forschte er unter sehr primitiven Bedingungen höchst kreativ. Was verursacht eine Lungenentzündung? Streptococcus pneumoniae mit rauer Oberfläche wachsende S. pneumoniae! mit glatter Oberfläche wachsende S. pneumoniae! Frederick Griffith, 1877 – 1941! Das „transformierende Prinzip“ (1928) Frederick Griffith, 1877 – 1941! Das „transformierende Prinzip“ (1928) Frederick Griffith, 1877 – 1941! Das „transformierende Prinzip“ (1928) Frederick Griffith, 1877 – 1941! Das „transformierende Prinzip“ (1928) Frederick Griffith, 1877 – 1941! Das „transformierende Prinzip“ (1928) Oswald T. Avery, 1877 – 1955! Die Wiederentdeckung der Griffith-Entdeckung (1944) Erwin Chargaff, der unlucky looser! Erwin Chargaff, 1905 – 2002! Chargaff entdeckte die Basen Adenin und Guanin sowie Thymin und Cytosin in der DNA und stellte die so genannten Chargaff’schen Regeln auf. %A = %T %C = %G! Erwin Chargaff, 1905 – 2002! 5'-ATGCCAGG-3'! 3'-TACGGTCC-5'! Anzahl Basen: A: 3 T: 3 C: 5 G: 5! G+C A+T+G+C [%] 10 16 = 62,5% "GC-Gehalt" ist organismusspezifisch Erwin Chargaff, 1905 – 2002! Gattung GC-Gehalt Streptomyces coelicolor 72 % Mycococcus xanthus 68 % Halobacterium sp. 67 % Homo sapiens 40 % Saccharomyces cerevisiae 38 % Arabidopsis thaliana 36 % Methanosphaera stadtmanae 27 % Plasmodium falciparum 20 % Erwin Chargaff, 1905 – 2002! Chargaff hatte alles, um das Geheimnis der DNA zu lüften: Aber: Der entscheidende Geistesblitz kam ihm nicht! Chargaff über Watson & Crick: “That such pygmies should cast such giant shadows only shows how late in the day it is” Der geniale Coup! Francis Crick, 1916 – 2004! James Watson, 1928! Was Chargaff und Pauling nicht schafften, hatte Watson und Crick am 28. Februar 1953 geschafft. "It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material." Der intelligente experimentelle Beweis! Matthew Meselson, 1930! Franklin W. Stahl, 1929! 1958 a b c Matthew Meselson, 1930! Franklin W. Stahl, 1929! 1958 Die erstaunliche Evolution des Eisfisches! Die erstaunliche Evolution des Eisfisches! 1928: Forschungs- und Nachschubschiff S.S. Norvegia bricht zu einer Reise in die Antarktis auf. Ziel war die Insel Bouvet, irgendwo im Niemandsland. Detlef Rustad: ein Student der Zoologie. Die erstaunliche Evolution des Eisfisches! 1929 hörte der norwegische Biologe Johan Ruud von dieser Entdeckung. Erst 1953 gelang es ihm, selber einen lebenden Eisfische zu fangen und zu untersuchen. Das “Blut“ des Eisfisches enthielt nur 1% Zellen. Keine der Zellen war rot. Andere Fische haben einen Anteil von 15-18% roter Blutzellen im Blut. Beim Menschen beträgt der Anteil an Erythrozyten ca. 45% des Blutes. Die erstaunliche Evolution des Eisfisches! Was soll das? Vor 40.000.000 Jahren öffnete sich durch den Nordwärtsdrift von Südamerika und Australien die Drake Passage auf der Südhalbkugel, so dass eine zirkumpolare Ozeanzirkulation möglich wurde. Diese führte dazu, dass sich Oberflächen- und Tiefengewässer um mehr als 10°C abkühlten. Alle Wirbeltiere „flohen“, denn hier wurde es lebensgefährlich. Nur der Eisfisch blieb. Um zu überleben, trennte er sich von den vielen Zellen in seinem Blut und pumpte einfach Meerwasser durch seinen Körper, um ihn mit Sauerstoff zu versorgen. Woher wissen wir, dass er sich von seinem Blut „trennte“?! α-Globin-Gen β-Globin-Gen Oder sie werden zum Tummelplatz von Mutationen Man verliert die Gene α-Globin-Gen β-Globin-Gen Ein molekulares Fossil Verlieren und gewinnen = optimieren! Mit dem Verlust des Hämoglobins entstand ein neues Problem: Die Gefahr, dass ein kleiner Eiskristall alles zum Gefrieren bringt. Die Lösung: Das Antifrost-Protein (Anti-Freeze-Glykoprotein, AFGP) Der Genius hinter der biologischen Revolution! hat es möglich gemacht, auf eine neue Art von Fossilien zu schauen! DNA! „Revolutionen des europäischen Geistes im 20. Jahrhundert “! Der Genius hinter der biologischen Revolution! Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Theodor Dingermann! Institut für Pharmazeutische Biologie! Biozentrum! Max-von-Laue-Str. 9! 60438 Frankfurt am Main! [email protected]!
