Immunzellen als Fallensteller

Unsere Erbsubstanz kann mehr, als unsere Eigenschaften kodieren. Forscher haben jetzt herausgefunden: Die DNA fängt Bakterien.

Arturo Zychlinsky blickt von seinen Notizen zu den Zuschauern. In seinem Kopf rotieren die Fragen, die ihn in den letzten Wochen nicht mehr losgelassen haben: „Was, wenn ich was übersehen habe? Was, wenn sie mich auslachen?“. Doch es gibt kein Zurück mehr. Sein Vortrag wurde großmundig angekündigt, die versammelten Zellbiologen warten gespannt.

Zychlinsky richtet sich auf, lächelt und beginnt. Er zeigt Bilder aus dem Elektronenmikroskop, die ein feines Netz von Desoxyribonukleinsäure (DNS) außerhalb von Zellen zeigen. Nicht im Zellkern, wo die Erbsubstanz normalerweise hingehört, sondern draußen. Und er behauptet, dass die Zellen diesen Stoff, der alle unsere Eigenschaften kodiert, absichtlich abgegeben haben, um damit Bakterien zu fangen und zu töten. Vorsichtig blickt er in die Gesichter der Anwesenden. Glauben sie ihm?

Kann es sein, dass Zellbiologen Jahrzehnte lang etwas übersehen haben? Dass etwas nicht ernst genommen haben, das eine so wichtige Waffe gegen Bakterien sein soll? Vor ein paar Monaten hat er es selbst nicht glauben wollen. Damals, im Max-Plack-Institut für Infektionsbiologie in Berlin, zeigte Volker Brinkmann ihm die Fotos. Brinkmann ist der Meister der Mikroskopie im Institut. Zychlinsky hatte ihn gebeten, nach einem Enzym namens Elastase zu suchen, denn er wusste, dass dieses Enzym Bakterien bekämpfen kann und wollte nun sehen, wo der Stoff auf die Mikroorganismen trifft.

Brinkmann hatte eine Gruppe weißer Blutkörperchen präpariert, die Elastase produzieren. Diese neutrophilen Granulozyten stehen an erster Stelle in der Immunabwehr. Wenn Bakterien und andere Erreger uns belagern und unseren Körper als Brutstätte missbrauchen wollen, kommen die Neutrophilen zum Entzündungsherd und fressen die Eindringlinge auf. Als Kontrolle hatte Brinkmann die DNS angefärbt. Eigentlich nur, weil man das halt immer so macht, es dient zur Orientierung.

Und dann das. Auf den Fotos sind kleine Spiegeleier – die Neutrophilen. Zwischen ihnen ein feines fädiges Netz, wie ein etwas verklebtes Spinnennetz. Es musste sowohl aus DNS bestehen, als auch aus Elastase, denn in beiden Färbungen leuchtete es. Das konnte gar nicht sein. Die DNS ausserhalb der Zellen! Brinkmann wiederholte den Versuch wieder und wieder. Manchmal war das Netz da, manchmal nicht. Zweifel. War es nun ein Artefakt?

Wieder endlose Tage am Mikroskop. Die Mikroskopier-Räume liegen im Innersten des Instituts. Ganz ohne Fenster, denn im Dunkel sind die fluoreszierenden Farben im Mikroskop besser zu sehen. Manchmal wird man ganz müde. Oder einem wird schlecht. Wenn man die Präparate lange nach guten Stellen absucht. Dann sitzt man über dem Mikroskop gebeugt da, starrt hinein und bewegt das Präparat. Die leuchtend gefärbten Zellen fliegen vor dem schwarzen Hintergrund vorbei – dann kommt das eigene Gleichgewichtssystem nicht ganz hinterher und einem wird schlecht.

Aber die Mühe lohnt sich. Gute Bilder sind das beste Argument. Das ist es auch, das Brinkmann so an seiner Arbeit liebt, sagt er. Man hat nicht nur indirekte Hinweise, sondern man kann es wirklich sehen. Und Brinkmanns Bilder sind gut. Sie zeigen, dass auch andere Proteine, die Histone in den Netzen enthalten sind. Sie dienen in der Zelle als Stütze für die DNS, ein langes, fadenförmiges Molekül, das auf die Histone aufgewickelt ist.

Andere Bilder zeigen, dass Bakterien in den Netzen kleben bleiben. Man sieht sie da als kleine Stäbchen. Dass sie haften bleiben, liegt an den Histonen, sagt Brinkmann. Denn diese sind stark positiv geladen, während die Bakterien negativ sind. So ziehen sie sich wie die entgegen gesetzten Pole eines Magneten an. Brinkmann zeigt auch, dass die Bakterien in den Netzen sterben.

Zychlinsky findet es selbst immer noch ein bisschen unglaublich. Aber eher im Sinne von unglaublich schön. Es macht so viel Sinn! Die Neutrophilen fressen nicht nur ihre Feinde, sondern können sie auch fangen. Dafür stellen sie Fallen: Netze aus langen Fadenmolekülen (der DNS) mit Magneten (den Histonen) und Giften (der Elastase). „Das ist doch noch besser als Spiderman.“

Aber, bei aller Begeisterung, wie kann eine Zelle ihre DNS einfach abgeben? Sie ist doch wichtig, lebenswichtig. Keine Zelle kann ohne ihre Erbsubstanz überleben. Auf unserer DNS steht schließlich nicht nur geschrieben, wie groß wir werden, oder welche Augenfarbe wir haben, sondern auf ihr sind auch die Baupläne für all die Enzyme, die jede Zelle immer wieder braucht und immer wieder neu produziert.

Ja, antwortet Zychlinsky. Und nein. Bei den Neutrophilen handelt es sich um ganz spezielle Zellen. Sie sind ein Heer von Kamikazekämpfern, die beim Angriff auf ihre Feinde selbst sterben. Einmal „aktiviert“, leben sie nur noch etwa zwei Stunden lang. Und ein paar Stunden vor dem Tod ist auch die DNS nicht mehr so wichtig.

Wenn aber die Zellen sowieso sterben, dann könnte es ja auch sein, dass die DNS gar nicht aktiv ausgeschleust wird, sondern dass sie passiv beim Tod der Zellen nach außen gelangt. Dass die Netze ein zufälliges Nebenprodukt des Zerfalls sind? Ja, hier haben Zychlinsky und Brinkmann noch keine Bilder. „Wir glauben zwar, dass die Zellen ihre DNS aktiv ausschleusen und es gibt mehrere Hinweise darauf, aber wir haben sie noch nicht genau dabei filmen können“. Das liegt daran, dass die DNS erst einmal angefärbt werden muss, bevor sie sichtbar ist. Jeder Farbstoff aber interagiert mit dem Molekül. Und anscheinend verändern die Substanzen die DNS so, dass sie zu steif wird und nicht mehr ausgespuckt werden kann.

Dieser Punkt ist noch eines der großen Fragezeichen. Ansonsten hat die Überzeugungskraft der Bilder auch bei Zychlinskys Vortrag vor einigen Monaten gewirkt. Am Ende standen Zuhörer auf, verwirrte, begeisterte Gesichter. Sie erzählten, dass sie die Netze auch gesehen hatten. Aber sie hatten sie für Schmutz gehalten und die Präparate weggeworfen.

Heute sitzt Zychlinsky zufrieden in seinem Büro. Riesige Fensterfront. Ein Ficus. Ein alter Holztisch. Auf dem Tisch liegt die aktuelle Ausgabe des Fachmagazins „Science“, eines der wichtigsten Fachmagazine überhaupt. Die Titelstory sind die Netze, die Zychlinsky und Brinkmann „NETs“ (für „Neutrophil Extracellular Traps“) getauft haben. Auf dem Cover ein Netz, in dem Bakterien hängen. Zychlinsky lächelt. Er hat sie überzeugt.

Weiterführende Texte

• Teil 2: Wie ist es, am Mikroskop zu sitzen? Was sieht man auf den Bildern? Was wollen die Forscher weiter untersuchen? Ein Besuch am MPI...
• Teil 3: Der Kampf unseres Körpers gegen seine Feinde. Ein Beispiel: Es war einmal Shigella...

Zur Person

Sina Bartfeld ist Biologin und Redakteurin bei sciencegarden.