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Banater Post

Forschung an der Schnittstelle von Physik und Biologie

Kerstin Göpfrich mit Doktorhut an der Universität Cambridge. Einsender: Ingrid Kirch

Die junge Biophysikerin Kerstin Göpfrich hat sich zu einer erfolgreichen Wissenschaftlerin entwickelt

Bereits vor vier Jahren ist in der „Banater Post“ ein Porträt von Kerstin Göpfrich erschienen. Damals hatte die junge Forscherin ihr Studium an der Universität Cambridge begonnen. Mittlerweile hat die Biophysikerin dort promoviert und sich zu einer erfolgreichen Wissenschaftlerin entwickelt. Über ihren weiteren Weg, über Gegenstand und Ziele ihrer Forschungsarbeit berichtet Anton Enderle. Die Redaktion

„Du kannst auf Dich stolz sein, Kerstin“, sagte Opa, als Kerstin Göpfrich heuer ihre Dissertation an der Universität Cambridge erfolgreich verteidigt und damit den Doktortitel in Physik erworben hatte. Sie widersprach: „Stolz sein? Ich hab’ einfach meine Chance genutzt.“

Kerstin Göpfrich ist die Tochter ehemaliger Schüler des Temeswarer Nikolaus-Lenau-Lyzeums. Sie wurde 1990 in Regensburg geboren, aber bald schon zog die Familie nach Erlangen. Hier besuchte sie die Schule, studierte zunächst an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen Molekulare Medizin und Physik. Sie wurde in die Studienstiftung des Deutschen Volkes aufgenommen und erhielt eine Förderung des Max-Weber-Programms Bayern. Später nutzte sie die Chance, an der Universität Cambridge zu studieren. Hier bestritt sie das Masterstudium und schloss ihre Promotion an. Ein Stipendium der Gates-Stiftung erleichterte ihr das Erreichen des Ziels.

Es scheint so, als wäre ihr Weg aus frühen Kinderjahren vorgezeichnet gewesen. Ihre Mutter faltete Origami-Kraniche aus Papier, deren Flügel sich auf und ab bewegen konnten, davon war sie hingerissen. Niemand konnte damals ahnen, dass Origami das Thema ihrer Promotion im Fach Physik werden sollte. Es geht tatsächlich ums „Falten“, aber nicht Papier, sondern Moleküle werden gefaltet, genauer gesagt DNA-Moleküle.

DNA-Origami heißt diese Kunst des Faltens tatsächlich. Dabei wird ein längerer einzelner DNA-Strang durch das gezielte Anheften vieler kurzer Stränge in eine beliebige Form gefaltet. Dank der Vorarbeit zahlreicher Wissenschaftler wie Paul Rothemund gelingt das mühelos. Er selbst vergleicht DNA-Origami mit dem Kochen. Das Rezept: Zuerst entwirft man die gewünschte Form am Computer – sagen wir ein Krokodil. Der Computer berechnet dann die nötigen DNA-Sequenzen, die man über das Internet bestellen kann. Im Labor muss man diese DNA schließlich nur noch mischen und erhitzen, damit sie sich zur Krokodilform zusammenfindet. Nach einigen Stunden schwimmen Millionen kleiner DNA-Origami-Krokodile in einem einzigen Wassertropfen. Klingt fast wie Magie, ist aber simple Physik.

Mit Genetik oder Erbinformation hat DNA-Origami wenig zu tun, vielmehr handelt es sich um Baukunst in der Nanowelt. Das Krokodil ist das Logo des Labors, des Cavendish Laboratory an der Universität Cambridge, wo Kerstin Göpfrich arbeitete. Genau dort haben James Watson und Francis Crick die Struktur der DNA entschlüsselt. Ihnen kam wohl nicht in den Sinn, dass es eines Tages eine DNA-Version des Logos geben könnte. Wenn das 100 Nanometer kleine DNA-Origami-Krokodil die Größe eines echten Krokodils hätte, würde ein Sandkorn den höchsten Berg der Welt überragen. Sehen kann man es also nur unter speziellen Mikroskopen, sogenannten Rasterkraftmikroskopen. Es ist begeisternd und erheiternd zugleich, wenn einem das eben noch am Computer entworfene DNA-Krokodil aus dem Mikroskop entgegenblickt. Eine nette Spielerei, aber wo liegt der Nutzen?

Eine mögliche Anwendung erforschte Kerstin Göpfrich in ihrer Doktorarbeit: Sie baute feinste Kanäle aus DNA. In jeder lebenden Zelle sitzen Kanäle in der Zellmembran, also der Hülle, welche die Zelle umgibt. Sie sind die Sprachrohre der Zelle: Über diese Poren können Signalstoffe ausgetauscht werden, damit die Zelle mit ihrer Umwelt und ihren Nachbarn kommunizieren kann. Folgenschwer ist es allerdings, wenn die Kommunikation einen unerwünschten Verlauf nimmt. Schizophrenie, Alzheimer oder Krebs sind nur einige Beispiele für Krankheiten, die durch defekte Kanäle in Zellen verursacht werden können. Wenn man genau versteht, wie die Poren funktionieren, kann man medizinische Abhilfe schaffen. Diesen Weg erforschte Kerstin Göpfrich in ihrer Doktorarbeit durch den Bau künstlicher Kanäle anhand der DNA-Origami-Methode. Mittels Fluoreszenzmolekülen konnte sie die DNA-Kanäle auch unter dem Mikroskop sichtbar machen. Aber der wichtigste Beweis war noch zu erbringen: Können Signale tatsächlich durch den künstlichen Kanal übermittelt werden? Dank Strommessungen durch einzelne Moleküle ließ sich die Frage bejahen.

Bislang stellte man sich Membranporen als Kanäle mit hohlem Innenraum vor. Fehlt das Loch, passieren keine Ionen – so die Annahme in Lehrbüchern. Kerstin Göpfrichs Experimente haben gezeigt, dass diese Vorstellung unvollständig ist. Gibt es solche alternativen Ionenstromwege auch in lebenden Zellen? Sie hält es für sehr wahrscheinlich. Es gilt zu erforschen, welche Rolle sie im kranken und gesunden Organismus spielen. Poren aus DNA haben also tatsächlich geholfen, natürliche Kanäle besser zu verstehen. Sie erfüllen bereits alle grundlegenden Eigenschaften dieser Kanäle. Das lässt hoffen, dass Designer-Poren eines Tages helfen können, bessere Medikamente zu entwickeln oder gar defekte Kanäle in Zellen zu ersetzen. Tatsächlich greifen 50 Prozent der Medikamente an Membrankanälen an. Nun stelle man sich vor, es gelänge, künstliche Kanäle exakt so zu bauen, wie wir sie brauchen. „Origami könnte eines Tages sogar Leben retten“, hofft der amerikanische Mathematiker und Origami-Künstler Robert Lang. Wahrscheinlich hat er Recht. Und vielleicht gilt dasselbe für DNA-Origami. Kerstin Göpfrich: „Noch sind wir zugegebenermaßen Lehrlinge der Natur. Bemerkenswert immerhin, wie selten bei der Kommunikation zwischen Zellen Fehler unterlaufen.“

Nun arbeitet Kerstin Göpfrich am Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung in Stuttgart in der Abteilung von Professor Joachim Spatz. Sie erforscht, wie man nicht nur künstliche Kanäle, sondern ganze künstliche Zellen bauen könnte.