Noch ein Nachruf: Auf Joshua Lederberg , der am 23.5. 88. Jahre geworden wäre. Ich kannte ihn nicht, bin aber beeindruckt wie visionär er war. Wieder was gelernt.

Der Fernruf geht zum Merkur, wo die Sonde Messenger erstmal Fotos von allen Seiten gemacht hat.

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„Selbstzerstörungsmechanismus zu stoppen, in einer Zelle einen der Grundsteine der Krebsentstehung legen würde“.

Und genau darum soll es nun in diesem Artikel gehen.

Wenn wir noch einmal die Auto-Analogie bemühen wollen, dann hatte unser Katastrophenfahrzeug (= Krebszelle) bereits die Fähigkeit zum unbegrenzten Gasgeben und zur Deaktivierung der Bremsen erlangt. Da unser Auto aber zur Sicherheit noch eine Kontrollschaltung (= Apoptose) in die Bordelektronik eingebaut hat, die den Motor komplett ausschaltet, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit überschritten wird oder Sicherheitssysteme wie das ABS ausfallen, muß für eine echte Chaosfahrt auch diese Kontrollschaltung zerstört oder umgangen werden. Und genau das, die Umgehung der oder der Widerstand gegen die Apoptose ist ein weiteres Kennzeichen von Krebs.

Das ist übrigens für eine Krebszelle besonders wichtig, da sie gleich von mehreren Seiten von der Apoptose bedroht sein kann: nicht nur sind einige Chemotherapeutika darauf ausgelegt, die Apoptose auslösen, sondern die chaotische Natur einer Krebszelle selbst kann das bewirken, indem z.B. zu stark exprimierte Onkogene oder durch DNA-Schäden bedingte zu hohe Teilungsraten ebenfalls apoptoseinduzierend wirken können. Daraus wird auch ersichtlich, daß vor allem der intrinsische, also in und von der Zelle selbst ausgelöste Apoptosesignalweg gefährlich für die Krebszelle ist und daß es ihr irgendwie gelingen muß, diesen Signalweg zu unterbrechen oder zu manipulieren.

Ein besonders wichtiger Trick besteht darin, die zellulären Sensorsysteme für Abnormalität zu deaktivieren, die „bemerken“, wenn etwas in der Zelle nicht (mehr) ordnungsgemäß verläuft und das ist in Krebszellen eigentlich dauernd und zunehmend stärker der Fall. Sehr häufig wird eine Krebszelle daher z.B. P53 durch Mutation des entsprechenden Gens, loswerden, da P53 nicht nur Wachstum und Teilung einer Zelle begrenzen (wie hier beschrieben), sondern bei besonders schweren Schäden, z.B. an der DNA, auch gleich die Apoptose auslösen kann.

Im Apoptose-Artikel hatte ich ja erklärt, daß die Apoptose nur ausgelöst wird,

wenn nach Integration aller zellulären pro- und antiapoptotischen Signale der proapoptotische Stimulus überwiegt.

Und genau hier besteht auch eine weitere Möglichkeit für die Krebszelle, die Apoptose zu umgehen, indem sie dieses sensible Gleichgewicht aushebelt und eine so stark erhöhte bzw. erniedrigte Expression von antiapoptotischen (z.B. BCL-2 und BCL-XL) bzw. proapoptotischen (z.B. Bax, Bim, Puma) Regulatoren erzeugt, daß es nach Zusammenfassung aller verfügbaren Signale nicht mehr zu einer „Entscheidung“ für Apoptose kommt.

Aber auch der von außen einwirkende Signalweg der extrinsischen Apoptose ist nicht ungefährlich für eine Krebszelle und man kennt viele Beispiele dafür, wie in Tumorzellen dieser Signalweg „kurzgeschlossen“ wird.

Das Bild zeigt, wie die Weiterleitung von Signalen von außen nach innen funktioniert anhand eines Vergleichs zwischen transmembranären Rezeptorproteinen mit einer einfachen Glockenzugklingel. Dabei entsprechen einander die farblich übereinstimmend beschrifteten Teile. Eine Krebszelle kann nun an verschiedenen Punkten dieses Mechanismus’ eingreifen z.B. indem Rezeptorproteine (von Todesrezeptoren) durch Mutationen die Fähigkeit verlieren, an ihren extrazellulären Liganden zu binden (das wäre, wie den Handgriff zum Ziehen abzumontieren) oder die Fähigkeit, im Inneren der Zelle „bekannt zu geben“, daß außen der Liganden gebunden hat (das wäre, wie die Glocke abzumontieren).

rot: Kurzschließen des extrinsischen Signalwegs
blau: Manipulation der pro- und antiapoptotischen Signale
grün: Lahmlegen der zellulären Abnormalitätssensoren

Im Bild sieht man eine stark vereinfachte Darstellung der beiden Hauptsignalwege (Pathways) für die Apoptose: den extrinischen (von außen einwirkenden) und den intrinsischen (von innen einwirkenden) und ich habe mit farbigen Ovalen markiert, an welchen Stellen die Krebszelle eingreifen kann. Natürlich ist die Wirklichkeit noch viel detailreicher und komplizierter aber man könnte vielleicht sagen, daß die Vielzahl der möglichen Wege, durch welche die Apoptose eingeleitet werden kann mit der Vielzahl der Tricks korrespondiert, die Krebszellen einsetzen, um die Apoptose zu umgehen. Wichtig ist auch, zu verstehen, daß Krebszellen niemals richtig immun gegen Apoptose werden, sondern nur verschiedene Auslöser und Mechanismen der Apoptose lahmlegen oder umgehen können.

Denn gerade weil sie nicht immun gegen Apoptose sind, nutzt man Chemotherapeutika, die mehr oder weniger brutal die Apoptose erzwingen. In den letzten Jahren hat man immer besser verstanden, wie die Apoptose reguliert wird und konnte Medikamente herstellen, die die körpereigenen Apoptoseauslöser exakt nachahmen. Vor kurzem erst berichtete Nature Medicine (Nature Medicine 19, 131–133 (2013)) von einem neuen und interessanten therapeutischen Ansatz, der darin besteht, daß der Wirkstoff ABT-199 die Apoptoseblockade von Krebszellen überwindet, indem er selektiv das antiapoptotische BCL-2-Protein bindet, welches verhindert, daß es zur Destabilisierung der Mitochondrien-Membran und damit zur intrinsisch ausgelösten Apoptose kommt. Besonders Blutkrebszellen verlassen sich häufig auf BCL-2 zur Verhinderung von Apoptose, weshalb ein großes Interesse an diesem Protein besteht. In gesunden Zellen reicht die Blockade von BCL-2 normalerweise nicht aus, um die Apoptose auszulösen, da es noch andere Sicherungssyteme gibt, die das verhindern können (im Apoptose-Artikel gehe ich darauf ein). Weil aber in vielen Krebszellen durch die ihrer Natur gemäßen Abnormalitäten die Tendenz zur Apoptose bereits sehr hoch ist, fällt genau diese Sicherung weg und die Apoptose wird nur noch durch BCL-2 verhindert. Wenn dann BCL-2 durch einen Wirkstoff wie ABT-199 spezifisch gehemmt wird, wird die Krebszelle sozusagen über die Klippe gestoßen. Das Tolle ist, daß dieser Wirkstoff, der bereits gute Ergebnisse in klinischen Studien zeigte, in anderen, normalen Zellen nicht die Apoptose auslöst und damit schwere Nebenwirkungen erzeugt, weil in diesen ja die BCL-2-Sicherung noch funktioniert.

(Die Erkenntnisse um ABT-199 sind übrigens auch für mich persönlich sehr spannend, da ich selber damals in meiner Zeit als Krebsforscher für „meinen“ Tumor, das primäre ZNS-Lymphom (PCNSL), eine starke Überexpression von BCL-2 und damit eine wahrscheinlich eingeschränkte Apoptose nachgewiesen habe. Vielleicht läßt sich ABT-199 auch bei der Behandlung von PCNSL nutzen?).

In der nächsten Folge beschreibe ich, wie Krebszellen die Unsterblichkeit erlangen.

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Übersicht Krebs-Serie:

Einführung

1. Folge

2. Folge

Aber so wie ich das mitbekommen habe, war es anderswo heute nicht ganz so schön. Angeblich soll es sogar irgendwo geschneit haben. Wenn also schon wieder Winterstimmung herrscht, können wir uns auch eine Weihnachtsvorlesung anschauen. Zum Beispiel eine aus dem Jahr 1991 von Richard Dawkins. Er hält die Weihnachtsvorlesung der Royal Institution, die immerhin schon 1825 gehalten werden, immer für ein junges bzw. jugendliches Publikum. Auch Dawkins war damals noch jung und lange nicht so berühmt wie heute. Er ist vielleicht auch noch nicht so ein hervorragender Redner wie heute – aber immer noch besser als der Typ, der die Einleitung spricht… Ich kann das bei Vorträgen auch immer nicht leiden, wenn der Veranstalter bei seiner Begrüßung zu keinem Ende kommt und das Publikum schon gelangweilt ist, bevor der Vortrag überhaupt angefangen hat. Den sollte man hier aber unbedingt sehen. Dawkins hatte auch 1991 schon faszinierende Dinge zu sagen! (Und es ist nett, mal wieder einen Vortrag ohne PowerPoint zu sehen…)

Ein Quader mit den Maßen 10 x 10 x 20 cm besteht aus einem Material, das 80% der Dichte von Wasser hat. Ein Glas hat die Innenmaße 12 x 12 x 25 cm und ist mit 1 Liter Wasser gefüllt. Der Quader wird vorsichtig hochkant in das Glas getaucht und losgelassen. Was passiert mit dem Quader? (Wir ignorieren etwaige Kapillarkräfte.)

          (A) Er sinkt bis zum Boden.

          (B) Er schwebt im Wasser.

          (C) Er schwimmt im Wasser.

Um Lösungen inklusive möglichst verständlicher Begründung in den Kommentaren wird herzlichst gebeten! Auch professionelle Physiker oder Physikstudent/inn/en müssen sich nicht zurückhalten. Es handelt sich übrigens nicht um eine Fangfrage oder dergleichen – genau eine der drei Lösungsmöglichkeiten ist korrekt. Die Auflösung samt Erläuterung des Hintergrunds wird dann in ein paar Tagen nachgeliefert. Viel Vergnügen beim Rätseln!

Aber bevor ihr jetzt denkt, ich sei völlig durchgedreht und würde neuerdings glauben, dass Elektronen leben und einen Willen haben, fahre ich mal lieber die Blog-Rhetorik etwas runter (jetzt habt ihr eh schon geklickt, muhaha) und erkläre erst mal, was es überhaupt bedeutet, wenn ein physikalisches System frustriert ist.

Stellt euch als erstes einen Magneten vor – in einem magnetischen Stück Materie gibt es die kleinen Elementarmagneten, die sich normalerweise parallel zueinander anordnen, das habt ihr vermutlich in der Schule gelernt. So etwa sieht das aus (praktischerweise habe ich am Wochenende gerade jede menge schicke Bilder gemacht, kann ich gleich verwenden):

Die magentafarbenen Pfeile kennzeichnen die Richtung, in die die magnetischen Momente (oder Elementarmagnete) zeigen, die kleinen blauen Schleifen  drumherum sollen den Drehsinn von Elektronen kennzeichnen, die ja für den Magnetismus verantwortlich sind.

Die magnetischen Momente ordnen sich parallel an, weil das energetisch günstig ist. (Dafür ist ein komplizierter Mechanismus namens Austauschwechselwirkung verantwortlich, den keiner so ganz versteht.) Da physikalische Systeme ja dazu neigen, ihre Energie zu minimieren (warum? Guckst du hier.), tun die Momente (und damit die Elektronen) also das, was am günstigsten ist.

Es gibt aber auch Stoffe, in denen ist es energetisch günstiger, wenn sich nebeneinander liegende Momente entgegengesetzt ausrichten, das sieht dann so aus:

Hier zeigen die Momente, die nebeneinander liegen, also immer in entgegengesetzte Richtungen.

Natürlich kann man sich jetzt Systeme vorstellen, in denen beide Wechselwirkungsarten auftreten. Stellt euch vor, ihr ordnet drei Momente im Dreieck an. Moment 1 und Moment 2 haben eine niedrige Energie, wenn sie gleich ausgerichtet sind, ebenso Moment 2 und 3, aber Moment 1 und 3 möchten am liebsten entgegengesetzt ausgerichtet sein. Egal wie ihr es anstellt, eine der drei Paarungen ist immer unzufrieden und hat ein hohe Energie. Alternativ könnt ihr die drei Momente auch so wechselwirken lassen, dass jeder gern entgegengesetzt zu den beiden anderen ausgerichtet sein möchte:

Egal wie ihr’s anstellt, ihr werdet nie alle drei Momente entgegengesetzt ausrichten können. Bezeichnet man die Momente mit 1 oder 0 (für rauf und runter), dann ist klar, dass der Zustand (000) (alle drei runter) und (111) (alle drei rauf) besonders ungünstig ist. Es ist aber energetisch egal, ob ihr den Zustand (110) oder (101) oder (o11) oder (001) oder (010) oder (100) einstellt – die haben alle dieselbe Energie, und kleiner als dieser Wert kann die Energie nicht werden. Frustrierend, oder?

Und was soll daran so toll sein? Normalerweise ist es so, dass physikalische Systeme einen Grundzustand haben, in dem die Energie besonders niedrig ist. Dieser Grundzustand ist meist eindeutig (der Grundzustand der meisten Materialien ist zum Beispiel ein eingefrorener Festkörper, weil da alle Bindungskräfte am höchsten sind). Es gibt zwar Fälle, in denen auch der Grundzustand eine gewisse Freiheit hat, beispielsweise einen Magneten – im Grundzustand zeigen alle Momente in dieselbe Richtung, aber es ist egal, welche Richtung das ist. Auch hier gibt es aber nur eine globale Größe, die nicht eindeutig ist – bis auf eine bloße Rotation ist der Grundzustand immer derselbe.

In unserem frustrierten System mit den drei Spins gibt es aber gleich 6 mögliche Grundzustände. Und wenn man nicht bloß drei Spins nimmt, sondern sehr viele, und diese so miteinander koppelt, dass die Spins frustriert sind, dann gibt es extrem viele Grundzustände. Und das ist etwas, das Thermodynamikerinnen in große Aufregung versetzt – normalerweise sagt nämlich der berühmte dritte Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Entropie eines Systems im energetisch günstigsten Zustand gleich Null ist. Und die Entropie ist nichts als ein Maß für die Zahl der Zustände (mehr darüber erfahrt ihr, wenn ihr rechts bei Artikelserien klickt, oder auch in diesem Text und seinem ersten teil hier). Frustrierte Systeme sind also solche, die die gewöhnlichen Regeln der Thermodynamik auf den Kopf stellen, weil es in ihnen sehr viele gleichwertige Grundzustände gibt. Man nennt so etwas auch ein Spin-Glas – und zumindest die Theorie der Spingläser wird schon seit langem erforscht. Spingläser sind auch nette Systeme, wenn man Optimierungsverfahren testen will (mit sowas ähnlichem habe ich mich während meiner Promotionszeit rumgeschlagen) – es ist beliebig schwierig, den energetisch günstigsten Zustand zu finden, weil es oft sehr komplexe langreichweitige Wechselwirkungen gibt.

Solche Systeme sind aber in der Realität nicht leicht zu erzeugen – normalerweise macht die Natur so etwas nicht. Es gibt zwar das sogenannte Spin-Eis, das ist aber ein ziemlich kompliziertes System und lässt sich auch nicht so leicht experimentell untersuchen (die Frustration im Spineis ist auch noch etwas komplizierter, siehe den Wiki-Artikel).

Dank der modernen Nanotechnologie ist es jetzt aber gelungen, ein vergleichsweise einfaches frustriertes System herzustellen, das drei Bestandteile hat, genau wie unser simples Bild oben. So sieht das ganze aus:

Was ihr hier seht ist die Oberfläche eines Halbleiters, in die einige Kontakte eingebaut wurden. Interessant für uns sind vor allem die drei eingezeichneten Bereiche, die mit QD markiert sind – das sind sogenannte Quantenpunkte (QD=quantum dot). Dicht unter der Oberfläche des Halbleiters können sich hier Elektronen in einem kleinen, nahezu perfekt zweidimensionalen Bereich tummeln. Die genauen technischen Details spare ich mir lieber (das ist Bloggerisch für “habe ich nicht verstanden”).

Entscheidend ist, dass man das System so präparieren kann, dass die drei Quantenpunkte in ähnlicher Weise miteinander wechselwirken, wie es oben unsere drei Momente getan haben. So ein Quantenpunkt kann entweder ein paar Extra-Elektronen enthalten oder auch nicht. Bezeichnen wir den Zustand, in dem die Extra-Elekronen da sind, mit 1 und den, in dem sie nicht da sind, mit 0, dann ist es auch hier wieder so, dass jeder Quantenpunkt dann die niedrigst-mögliche Energie hat, wenn seine Elektronenzahl (1 oder 0) den entgegengesetzten Wert zu den anderen beiden Punkten hat. Entsprechend gibt es auch hier wieder sechs gleich gute (oder schlechte) Zustände, genau wie eben.

Tatsächlich ist die Sache etwas komplizierter. Die Energie der Quantenpunkte hängt von den an den Kontakten angelegten Spannungen ab, die man dann variiert. Mit Hilfe der passenden Formel für die Energie des Systems kann man dann zeigen, dass sich bei richtig eingestellter Spannung an den drei Kontakten gerade die Frustration einstellt.

Nun muss man die Frustration natürlich auch noch nachweisen. Das geht dadurch, dass man die Leitfähigkeit misst. Stellt euch vor, wir schicken ein Elektron in den Quantenpunkt 1 und wollen von hier Strom über den Punkt 2 nach draußen leiten. Wenn wir jetzt im Zustand (100) sind, dann kostet es keine Energie, in den Zustand (110) überzugehen (die Elektronen kommen dabei aus dem Halbleitermaterial, nicht etwa aus dem Nichts), und dann in den Zustand (010), wobei wir Elektronen aus dem Punkt 2 in die entsprechende Leitung abführen. Also ist die Leitfähigkeit in diesem Zustand hoch – in anderen Zuständen (wenn man also die Spannungen so einstellt, dass man kein frustriertes System hat), ist sie dagegen niedriger.

Hier ist die Leitfähigkeit (farbig) aufgetragen gegen zwei der drei Spannungen an den Quantenpunkten, man erkennt sehr schön, dass sie bei richtig eingestellten Spannungen sehr viel größer ist (die gestrichelten Linien sind nur Hilfslinien, keine Messwerte):

Insgesamt ist es also gelungen, ein gut kontrollierbares frustriertes System herzustellen. Fragt sich natürlich, was man damit anfangen kann. Das ist im Moment tatsächlich noch nicht so klar – ein solches System könnte (das sagt man in solchen Fällen ja immer) beim Bau von Quantencomputern nützlich sein; wenn es gelingt, so etwas in größerem Maßstab zu bauen, könnte es auch helfen, die Thermodynamik besser zu verstehen, weil man ein gut kontrollierbares frustriertes System hätte. Ansonsten ist es erst einmal Grundlagenforschung – da weiß man vorher nie, was hinterher einer damit anfängt.

M. Seo et al., Charge Frustration in a Triangular Triple Quantum Dot

Phys. Rev. lett. 10.1103/PhysRevLett.110.046803

Gefunden via nature:

S. Andergassen, A frustrated trio, nature 495, p. 321

In einem in der letzten Woche in Cell publizierten Paper aus dem Labor von Shoukhrat Mitalipov fielen einer anonymen Wissenschaftlerin mehrere Unstimmigkeiten auf. Sie hat dies auf der Plattform Pubpeer dokumentiert, einer Seite auf der nach dem offiziellen Peer-Review wissenschaftliche Veröffentlichungen diskutiert und kritisiert werden können. Am auffälligsten dabei sind die Duplikationen von Bildausschnitten. Zusätzlich sind der anonymen Wissenschaftlerin noch weitere Unstimmigkeit in einer Abbildung aufgefallen, in der Genepxressionsdaten von vermeintlich unterschiedlichen biologischen Repliken vergleichen werden.

Besonderere Brisanz wird diesem Fall dadurch verliehen, dass das Paper über die Herstellung embryonaler Stammzellen aus Körperzell-DNA und Eizellehülle in den Medien starke Resonanz fand. Und vor dem Hintergrund, dass ähnliche Versuche embryonale Stammzellen herzustellen, 2006 als Fälschung entlarvt wurden. Dementsprechend hoch ist auch aktuell die mediale Berichterstattung über die Unstimmigkeiten, zum Beispiel  hier, hier oder hier.

Ich möchte hier versuchen, auf ein paar Fragen einzugehen, die vielleicht nicht detailliert genug in den großen Online-Blättern zur Sprache kommen.

Versehen oder Vergehen?

Mitalipov beschwichtigt in einem Interview in Nature und erklärt, es habe sich um ein Versehen gehandelt, das möglicherweise durch einen zu hastigen Begutachtungsprozess nicht entdeckt wurde. Meiner Meinung nach wurden die Bilder in Abbildung 6D und S5 vorsätzlich vertauscht und unterschiedlich beschriftet (siehe Abbildung hier oben). Wer Bilder am Mikroskop erstellt und speichert, sorgt dafür, dass diese eindeutig benannt und geordnet abgelegt werden. Wer eine veröffentlichungsreife Abbildung anfertigt, vergewissert sich mehrfach, dass das was man da sieht, das ist, was gezeigt werden soll. Wieso der Maßstab auf dem selben Bild einmal fehlt und einmal vorhanden ist, verstehe ich ebenfalls nicht.

Sind die Fehler relevant für die Kernaussage der Veröffentlichung?

Bei den vertauschten und zurechtgeschnittenen mikroskopischen Aufnahmen kann ich das nicht beurteilen. Die Fehler in Abbildung S6 hingegen sind jedoch sehr nahe dran. Ein Kernaspekt der Studie betrifft die Ähnlichkeit der hergestellten Stammzellen zu natürlichen embryonalen Stammzellen. Um das zu beurteilen, werden Genexpressionsmuster vergleichen. Je besser diese korrelieren, desto mehr ähneln sich die Zellen. Man sieht das gut in Abbildung 7A. Generell werden solche Experimente in technischen sowie biologischen Replikaten durchgeführt (meistens drei), um die Stärke der Korrelation der Genexpressionsmuster besser beurteilen zu können. Das sind die Autoren in Abbildung S6 schuldig geblieben (hier unten).

Abbildung S6 aus dem Paper. Die Grafiken oben mitte und rechts sind identisch. Die Grafiken in der Mitte links und unten rechts sehen laut anonymem Gutachter bei PubPeer zu gut aus, um von biologischen Replikaten zu stammen.

Hat der Peer-Review Prozess versagt?

Nein. Versagt hat die Redaktion von Cell. Ich gehe eigentlich davon aus, dass die meisten Wissenschaftsmagazine – mit Sicherheit aber Cell – inzwischen Software besitzen um Fälschung in Abbildungen zu detektieren. Warum eine solche Software in diesem Fall nicht eingesetzt wurde, ist rätselhaft. Deutlich kritikwürdiger als der Reviewprozess ist also die mangelhafte redaktionelle Arbeit beim Elsevier – Flaggschiff.

War der Peer-Reveiw Prozess zu schnell?

Laut Angaben von Cell wurde das Paper am 30. April eingereicht, am dritten Mai überarbeitet und am selben Tag akzeptiert. Meiner Erfahrung nach spiegeln diese Daten nicht den Ablauf des tatsächlichen Begutachtungsprozesses wieder. Normalerweise wird ein eingereichtes Manuskript als erstes redaktionell bewertet und entschieden, ob die Veröffentlichung überhaupt zu Gutachtern geschickt wird. Diese werden dann mit der Bitte kontaktiert, das Manuskript innerhalb von drei Wochen zurück zu schicken (nachzulesen auch hier). Danach kann eine Publikation entweder abgelehnt werden (sehr häufig) oder nach Bearbeitung der Anmerkungen der Gutachter durch die Autoren akzeptiert werden.

Um die offiziellen Begutachtungszeiten für Manuskripte niedrig zu halten (und die Ablehnungsraten hoch), greifen Journals zu einem Kniff: Papers, die stark überarbeitet werden müssen, werden abgelehnt. Allerdings wird den Autoren ermöglicht, das verbesserte Manuskript beim gleichen Magazin erneut einzureichen. Bei etwaiger Veröffentlichung gilt dann das zweite Einreichdatum, und das kann sehr nahe beim Datum liegen, an dem das Paper zur Veröffentlichung akzeptiert wurde.

Seltsam mutet daher die Antwort von Mitalipov auf die Frage an, warum solche Eile bei der Publikation der Daten bestand. Der Hauptautor der Studie nimmt Cell in Schutz und sagte dazu zu Nature, er wollte die Veröffentlichung beschleunigen, um die Ergebnisse bei einem Meeting im Juni zu präsentieren.

Seit wann müssen Daten publiziert sein, um bei einem Meeting präsentiert werden zu können? Und seit wann hat ein Autor einen solch großen Einfluss auf die Publikationspolitik eines Journals?

Autoren müssen bei der Veröffentlichung eines Papers immer etwaige Interessenkonflikte angeben. Wie werden wohl bei Cell Interessenkonflikte von Editoren behandelt?

Joshua Lederberg (23. Mai 1925 in Montclair, New Jersey geboren, + 2. Februar 2008 in New York) war ein genialer Molekularbiologe und Genetiker, der seine Fachgebiete mit Weitsicht und Genius weit über ihre damaligen Grenzen hinaus extrapolierte.
Sein Forschungsgebiet: Mikroorganismen.
Lederberg hatte nachgewiesen, dass Bakterien einen Teil ihres Erbguts untereinander austauschen. Das ist eine wesentliche Erkenntnis für die Erforschung von Resistenzen gegen Antibiotika. Für diese elementar wichtige Grundlagenforschung erhielt er 1958 im Alter von nur 33 Jahren die Hälfte des  Nobelpreises für Medizin.

Der „Vater“ der Exobiologie

1965 publizierte er im angesehenen Fachjournal Nature den Aufsatz: „Signs of Life: Criterion-System of Exobiology“.
(Lederberg, Joshua: „Signs of Life: Criterion-System of Exobiology“, Nature. Vol. 207. No. 4992, pp. 9-13, July 3, 1965).
Damit hatte er den Begriff „Exobiologie“ erschaffen!

Sein erster Satz „The imminence of interplanetary traffic calls for systematic criticism of the theoretical basis and operational methods of “exobiology”, the initial search for and continual investigation of the life it might encounter.” machte frühzeitig darauf aufmerksam, dass möglicherweise auch außerhalb der Erde Leben existieren könnte. Er ahnte voraus, dass die Definition von Leben gerade für mögliches extraterrestrisches Leben gründlich durchdacht werden müsse. Schließlich könnten diese Lebensformen beträchtlich von der Vorstellung abweichen, die die meisten Menschen von einer Lebensform haben. Gerade durch seine bahnbrechenden Forschungen an Mikroorganismen war er dafür prädestiniert, sich mit dieser Frage zu beschäftigen.
Lederberg selbst arbeitete immer interdisziplinär und konnte daher auch überblicken, dass auch die wissenschaftliche Erforschung möglicher außerirdischer Lebensformen interdisziplinär durchgeführt werden müsse.
Er hielt den Beginn des Raumfahrt-Zeitalters für epochal.

Zwischenstation Mars: Kohlenstoffverbindungen in wässriger Lösung?

In seiner Nature-Publikation von 1965 schreibt er, dass der Mars die erste Station auf der Suche nach Leben im Weltall sei.
Damit gab er die damals herrschende Meinung der Raumfahrtingenieure um Wernher von Braun und anderen wieder, dass nach einer Mondlandung zügig eine Marslandung durchgeführt würde.
Er beschrieb die Notwendigkeit, die Komplexität chemischer Parameter des Mars zu definieren und entwickelte mit Hypothesen und Fragestellungen ein erstes theoretisches Gerüst für die Durchführung der Exploration und Auswertung der Ergebnisse.
Gleichzeitig postulierte er die Annahme, dass eventuelles Mars-Leben ebenfalls auf Kohlenstoffverbindungen in wässriger Lösung bestehen müsse. Es sei anzunehmen, dass die auf der Erde dominierenden organischen Verbindungen C – H, C – O, C – N und O – H auch außerhalb der Erde dominieren würden. Dies ist heute eines der Grundgesetze des Lebens im Weltall.
Lederberg vermutete, dass die Suche nach außerirdischem Leben in den Grenzbereichen zwischen Biologie und Chemie stattfinden würde. Man müsste dabei nicht zwangsläufig nach DNA suchen, sondern auch nach Makromolekülen wie Proteinen. Darum konzipierte er erstmals die Methodik und einen Kriterienkatalog für die Suche nach solchen Makromolekülen (Lederberg, Joshua: „Signs of Life: Criterion-System of Exobiology“, Nature. Vol. 207. No. 4992, pp. 9-13, July 3, 1965).

Lederberg und Sagan – gedanklicher Aufbruch ins All

Gemeinsam mit dem Astronomen Carl Sagan, der später bei der NASA sein Kollege werden sollte, entwickelte er die Exobiologie als neue wissenschaftliche Disziplin und begleitete damit die US-amerikanischen Raumfahrtprojekte noch vor der ersten Mondlandung. Das war visionär, denn er beschäftigte sich bereits mit den möglichen Folgen und Auswirkungen der menschlichen Raumfahrt, bevor die spektakulären Apollo-Missionen überhaupt begonnen hatten.

“Something of a wordsmith, Dr. Lederberg coined the term exobiology, or the study of the possibility of alien life. He collaborated with the astronomer Carl Sagan in establishing exobiology as a scientific discipline and in educating the public on the biological implications of space exploration.
With the dawn of the space age, his warnings about interstellar contamination and his call for the scientific study of life beyond Earth’s atmosphere tapped into popular fascination and brought him international attention.
One account holds that Dr. Lederberg argued that the first astronauts returning from the Moon should spend weeks in quarantine — earning their fury — because of his worry that they might inadvertently import alien microbes.” (New York Times, “Joshua Lederberg, 82, a Nobel Winner, Dies“).

Zur damaligen Zeitpunkt erntete er für seine Überlegungen zum Thema „Exobiologie“ noch viel Spott, selbst der Evolutionsbiologe George Gaylord Simpson machte sich über Lederberg lustig. Gerade Simpson hätte es besser wissen sollen, schließlich beschäftigt sich die Evolutionsbiologie u. a. mit Theorien zur Entstehung des irdischen Lebens, was eine maßgebliche Forschungsfrage auch der Exobiologen ist.

Lederberg – der Visionär

Mit den potentiellen Auswirkungen der Raumfahrt hatte er sich schon frühzeitig beschäftigt:
Bereits 1958 hatte Lederberg  in einem Science-Artikel mit dem vielsagenden Titel „Moondust“ sich mit den möglichen Auswirkungen der menschlichen Raumfahrt beschäftigt: In „Moondust“ schildert er das Problem, dass Raummissionen biologische Kontaminationen ins All tragen könnten. Dadurch könnte die  Suche nach fremden Lebensformen behindert oder gar verhindert werden: „Unless specific precautions are taken, such space craft are likely to carry terrestrial organisms to the moon or other targets.“ (Science 127, 3313: 1473-1475). (Laborjournal online).

Als ein Begründer der Molekularbiologie hat er zur Grundlagenforschung  für zahlreiche biologische Disziplinen beigetragen, bis hin zur Biotechnologie.
Lederberg war ein interdisziplinärer Denker und Wissenschaftler, er bewegte sich zwischen verschiedenen Welten. Als brillanter Analyst und Visionär führte er auch frühe Forschungen zur  Computer-Intelligenz durch.
Gleichzeitig beriet er über ein halbes Jahrhundert US-amerikansiche Präsidenten und schrieb die wöchentliche Zeitungskolumne “Science and Man.” (“Joshua Lederberg, 82, a Nobel Winner, Dies“).
Viele seiner Ideen postulierte er Dekaden vor seinen Wissenschaftler-Kollegen, darum stieß er – wie andere Vordenker – oft auf Spott. Glücklicherweise ließ er sich davon nicht beirren.

Joshua Lederberg verstarb am 2. Februar 2008 im Alter von 82 Jahren.
Die New York Times nennt ihn in diesem Nachruf einen der führenden Wissenschaftler des Jahrhunderts.
Ganz bestimmt zu Recht!

Bettina Wurche

Zum Weiterlesen:

„GESTORBEN: Joshua Lederberg
Joshua Lederberg, 82. Auch Bakterien haben so etwas wie Sex, und das wiederum macht sie gefährlich. Für seine Forschung, die zu dieser Erkenntnis führte, bekam Lederberg 1958 die Hälfte des Nobelpreises für Medizin zugesprochen. Der Sohn eines orthodoxen Rabbiners aus New York war ein Ausnahmetalent mit ungewöhnlich breitgefächerten Interessen und enormer Weitsicht. Er bewies, dass und wie Bakterien Teile ihres Erbguts untereinander austauschen, was sie schnell resistent werden lässt gegen Antibiotika. Später beriet er die Nasa und die Weltgesundheitsorganisation, entwickelte neue Computerverfahren für die biologische Forschung, prägte den Begriff “Exobiologie” für die Suche nach Leben im All und warnte vor Bioterroristen und neuen, unbekannten Krankheitserregern. “Viren sind unsere einzigen und wahren Rivalen um die Herrschaft über den Planeten”, sagte Lederberg einmal. Joshua Lederberg starb am 2. Februar in New York.”
(Nachruf – DER SPIEGEL 7/2008, GESTORBEN: Joshua Lederberg)

“Joshua Lederberg, 82, a Nobel Winner, Dies“, Nachruf der New York Times, 05.02.2008

National Academy of Sciences Biographical Memoir

Will man zum Mars fliegen, dann kann man die Raumsonde einfach im freien Fall entlang einer sogenannten Hohmannbahn zum Mars fliegen lassen und wenn man angekommen ist, schaltet man kurz die Triebwerke ein und passt die Geschwindigkeit so an, dass die Sonde in einen Orbit um den Mars einschwenkt. Bei Merkur geht das nicht. Da müsste man die Sonde auf die Sonne zu fallen lassen und dabei wird sie so stark beschleunigt, dass sie am Ende viel zu schnell ist, um in eine Umlaufbahn um den Merkur gelangen zu können. Man müsste jetzt entweder Unmengen an Treibstoff mitnehmen, um unterwegs ständig bremsen zu können. Das aber ist technisch kaum machbar, denn all der Treibstoff muss ja auch irgendwie ins All gelangen und das ist enorm teuer. Oder aber man nutzt die “natürlichen” Bremsen im Sonnensystem: Die Gravitationskraft der Planeten. MESSENGER flog insgesamt sechs “Swing-By”-Manöver bei Erde, Venus und Merkur – das bedeutet, die Sonde flog sehr knapp an die jeweiligen Planeten heran und lies sich von ihrer Anziehungskraft bremsen (man kann eine Sonde durch solche Manöver auch beschleunigen). Erst dann war sie langsam genug, um schließlich den Merkur umkreisen zu können.

Es ist das erste Mal, das eine Sonde den Merkur umkreist. Die einzigen Aufnahmen des Planeten stammten bis dahin vom Vorbeiflug von Mariner 10 im Jahr 1975. Merkur ist natürlich auch eine harte Umgebung: die Temperaturen sind hoch und die Auswirkungen der Sonnenaktivität sind stärker als in der Nähe der Erde. Es ist viel leichter, zu Mars, Jupiter oder Saturn zu fliegen, als zum kleinen Merkur. Aber jetzt ist MESSENGER ja da und sammelt Daten. Die Mission sollte eigentlich nur bis März 2012 laufen, wurde dann aber noch um ein Jahr verlängert. Die Wissenschaftler hoffen nun auf eine weitere Verlängerung.

Aber selbst wenn MESSENGER in Pension geht, gibt es genug Daten, mit denen die Wissenschaftler in nächster Zeit arbeiten können. Unter anderem gibt es nun endlich eine komplette Karte des Merkur! Die Bilder von Mariner 10 zeigten ja nur einen kleinen Teil der Oberfläche. Dank MESSENGER wissen wir aber nun, wie der Merkur komplett aussieht. So:

Das sind natürlich nicht die echten Farben des Merkur. Die Bilder wurden künstlich eingefärbt, um die Unterschiede in der geologischen Zusammensetzung deutlicher zu machen. Die jungen Krater auf Merkurs Oberfläche sind hellblau oder weiß, braune Regionen sind Ebenen, die von großen Lavaströmen geformt wurden.

Jetzt wo wir Merkur kartografiert haben, gibt es vielleicht auch weitere Missionen dorthin. Vielleicht landet ja auch mal irgendwas dort (manche meinen sogar, man könnte dort Kolonien bauen). Wenn wir Raumsonden und Rover auf Mars, Mond und Venus landen können, dann sollte das doch auch auf dem Merkur klappen. Zumindest der Blick auf die Sonne sollte von dort ziemlich beeindruckend sein…

Astronomen sind es zwar gewohnt, mit großen Zahlen umzugehen. Aber ein Googol, also 10¹⁰⁰ bzw. eine 1 gefolgt von 100 Nullen ist selbst für Leute etwas ungewohnt, die ständig mit den buchstäblich “astronomischen” Zahlen zu tun haben. Aber die Zahlen, diese verflixten Dinger, hören natürlich nie auf! Es gibt immer noch mehr davon. Zum Beispiel das Googolplex. Das ist eine 1 mit einem Googol Nullen hintendran. Es ist natürlich unmöglich, diese Zahlen zu veranschaulichen. Aber dieses nette Lied von Helen Arney aus der numberphile-Videoreihe ist nicht nur ein richtiger Ohrwurm sondern illustriert auch schön, WIE unvorstellbar groß ein Googolplex ist:

Die Neural Correlate Society veranstaltet seit 2004 jährlich den Wettbewerb ‘Best Visual Illusion of the Year’. Letzte Woche wurden die Preisträger 2013 bekannt gegeben.

Der Siegertitel “Rotation generated by translations” kliegt wie die Überschrift eines Papers aus der Theorie der diskreten Bewegungsgruppen (nur dass es in der Mathematik keine von Verschiebungen erzeugten Drehungen gibt; eine ähnlichklingende reale Überschrift wäre zum Beispiel “Kleinian groups generated by rotations”), es geht dann aber natürlich um eine Illusion, nämlich dass Verschieben eines Gitters dahinterliegende Objekte scheinbar rotieren lässt:

Erklärt wird das mit dem Spanner-Effekt (nach dem Schmetterling bzw. dessen Raupe): Rotation generated by translations, Jun Ono, Akiyasu Tomoeda und Kokichi Sugihara.

Platz 2 (Arthur Shapiro und Alex Rose-Henig von der Amerikanischen Universität in Washington) hätte eigentlich denselben Titel “Rotation generated by translations” tragen können (heißt aber “Tusi or not tusi”) und zeigt, wie das Verschieben von 5 Punkten auf Geraden die Illusion einer Rotation erzeugt: Tusi or not tusi.

Platz 3 (“Through the eyes of giants” von Arash Afraz und Ken Nakayama) ist ein zusammengesetztes Foto von Boston, bei dem mir nicht klar ist, worin eigentlich die Illusion besteht: Through the eyes of giants.

Siehe auch:
Illusion des Jahres 2008
Illusion des Jahres 2009
Illusion des Jahres 2010
Illusion des Jahres 2011
Illusion des Jahres 2012
Wie wir die Welt sehen