Der Geist des Werkzeugmachers

Der beste Weg, um zu erfahren, wie intensiv der Bioingenieur Clifford P. Brangwynne aus Princeton das Leben angeht, besteht darin, ihn beim Hockeyspielen im Baker Rink zu erwischen. Vor der COVID-19-Pandemie hatte er ein Stehspiel zur Mittagszeit. Er spielt seit seiner Kindheit, hauptsächlich in der Verteidigung. Bei Baker kämpft er möglicherweise gegen seinen Mitarbeiter und Freund Mikko Haataja, einen Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik in Princeton und einen beeindruckenden Stürmer. „Wenn Sie intensiv Sport treiben, ist das das Einzige, was Sie bewusst im Kopf haben“, sagt Brangwynne. Mit Schlittschuhen betritt er die Zone. Und wenn Cliff Brangwynne in der Zone ist, gibt es kein Halten mehr.

Brangwynne, Juni-K.-Wu-Professor für Chemie- und Biotechnik im Jahr 1992, Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Empfänger eines MacArthur-„Genius-Stipendiums“, ist auch wissenschaftlich auf dem richtigen Weg. Im Jahr 2009 veröffentlichte er als Postdoktorand eine wichtige Entdeckung, etwas Grundlegendes über die Organisation von Zellen. In Lehrbuchdiagrammen sehen Zellen aufgeräumt aus. Kleine Unterkompartimente, sogenannte Organellen, die jeweils von einer Membran umgeben sind, übernehmen Aufgaben wie die Speicherung genetischer Informationen oder die Energieerzeugung. Aber Brangwynne fand ein Organell, das nicht durch eine Membran gebunden war. Stattdessen wirkte es wie eine Lavalampe oder ein Öl-Essig-Salatdressing. Als er unter ein Mikroskop schaute, sah er, wie Flüssigkeitsklumpen innerhalb einer Zelle verschmolzen und auseinanderbrachen.

Doch Brangwynne sah, dass sich Herausforderungen abzeichneten. Es ist eine Sache, Tröpfchen in Zellen sehen zu können. Eine andere Sache ist es, die Regeln zu kennen, die ihre Bildung regeln, oder alle Zwecke zu kennen, denen sie dienen. Um diese Fragen zu beantworten, müsste er über die passive Beobachtung hinausgehen. Er müsste lernen, Tröpfchen zu kontrollieren, denn die Kontrolle von etwas zeigt, dass man es versteht. „Cliff hat ein tolles Gespür für spannende Probleme“, sagt Haataja. Und als Reaktion auf dieses Problem, sagt Haataja, „übernahm die Bioingenieur-Seite von Cliff“.

Bioingenieurwesen ist ein großes Wort, das einen großen Teil der Wissenschaft abdeckt. Bioingenieure, sagt Brangwynne, nutzen Ideen aus quantitativen Bereichen, um Biologie zu studieren. Sie mobilisieren die Komponenten der Biologie, wie zum Beispiel Proteine, und handhaben sie wie ein Bauarbeiter eine Bohrmaschine. Sie erstellen einen Werkzeugkasten, um grundlegende Fragen zur Biologie zu beantworten oder ein schwieriges Problem für die Gesellschaft zu lösen. Es ist ein Ansatz, der die Bewohner Princetons bereits weit gebracht hat.

Angetrieben von dem Wunsch, die Umweltverschmutzung zu reduzieren, erkannte Frances Arnold '79 die Umweltkosten, die mit der Herstellung moderner Annehmlichkeiten wie Medikamente und Kraftstoffe verbunden sind. Sie machte sich daran, Proteine ​​dazu zu bringen, sie ohne Abfall herzustellen. Als sie in den 1980er Jahren ihr Labor am California Institute of Technology eröffnete, behaupteten Wissenschaftler, dass Gehirnleistung und Computerleistung genaue Anweisungen liefern würden, wie Proteine ​​ihren Befehlen gehorchen. Aber Proteine ​​enthalten Hunderte oder Tausende von Aminosäuren. Bei einer Auswahl von 20 Aminosäuren ergibt sich eine erschreckende Zahl möglicher Kombinationen. Arnold gefielen diese Chancen nicht, also versuchte sie, sich die Methode der Biologie zur Optimierung von Proteinen – die Evolution – zunutze zu machen, um ein Werkzeug zur Proteinanpassung zu entwickeln, das jeder Wissenschaftler verwenden konnte. Heute nutzen Hersteller von Medikamenten und Waschmitteln gleichermaßen ihre Technik, die als gerichtete Evolution bekannt ist. Sie nahm einen Anteil am Nobelpreis für Chemie 2018 mit nach Hause.

Im Jahr 1961 isolierte Osamu Shimomura als Forscher am Biologischen Institut von Princeton ein grünlich leuchtendes Protein aus einer Qualle. Aber er hörte hier nicht auf. Er schaute unter die sprichwörtliche Haube, um herauszufinden, was das Protein zum Leuchten brachte. Andere damals bekannte leuchtende Proteine ​​benötigten zum Aufleuchten chemische Zusätze, aber Shimomuras Protein benötigte nur eine blaue Lichtquelle. Wissenschaftler nutzten die Chance, das grüne Protein als Werkzeug zu nutzen. Sie nutzten es unter anderem zur Verfolgung der Ausbreitung von Krebszellen und zum Nachweis von Arsen in Wasserbrunnen. Shimomura erhielt 2008 einen Teil des Nobelpreises für Chemie. Später, im Jahr 2014, ging ein Teil des Chemie-Nobelpreises an einen Forscher, der das Protein nutzte, um die Auflösung von Lichtmikroskopen zu steigern, was es Wissenschaftlern ermöglichte, die winzigen Unterkompartimente einer Zelle – einschließlich Tröpfchen – schärfer zu sehen.

Je mehr Brangwynne in die Ingenieursgemeinschaft von Princeton eintauchte, desto klarer wurde ihm, dass auch er ein neues Werkzeug brauchte, um Tröpfchen in Zellen kontrollieren oder manipulieren zu können. „Er ist immer der Meinung, dass, wenn es eine Kontroverse gibt oder etwas Unbekanntes gibt, dies daran liegt, dass wir nicht die richtige Messung durchgeführt haben, und wenn wir nicht die richtige Messung vorgenommen haben, liegt es wahrscheinlich daran, dass wir nicht das richtige Maß haben.“ Technologie“, sagt Rohit Pappu, ein langjähriger Brangwynne-Mitarbeiter und theoretischer Biophysiker an der Washington University in St. Louis. Im September 2015 erhielt Brangwynne ein Stipendium der National Institutes of Health. In dem Abschnitt des Zuschussantrags, in dem nach dem Grund der Finanzierung für die öffentliche Gesundheit gefragt wird, schrieb Brangwynne: „Wir werden eine Spitzentechnologie entwickeln“, um Tröpfchen auf eine Weise zu kontrollieren und zu untersuchen, die für verschiedene Krebsarten und andere Krankheiten relevant wäre.

Brangwynne gibt zunächst zu: „Ich glaube nicht, dass wir wirklich verstanden haben, was wir taten.“ Um Tröpfchen auf Befehl zu steuern, dachten er und seine Mitarbeiter, dass sie mit den „Flashmob“-Proteinen beginnen müssten, die sich zu Tröpfchen zusammendrängen, und diese dann mit anderen Proteinteilen vermischen, um eine Art Fernbedienung zu schaffen, die das ermöglichen würde Ein Wissenschaftler weist auf das Gedränge hin. Die richtigen Teile zu finden war nicht trivial.

Glücklicherweise hatten andere Wissenschaftler ein florierendes Feld rund um Proteine ​​aufgebaut, die als Reaktion auf einen Lichtblitz ihre Form verändern oder sich zusammensetzen. Laserlicht ist ein fantastischer Fernsteuerungsmechanismus, da es sofort ein- und ausgeschaltet werden kann und so fokussiert ist, dass es auf bestimmte Bereiche einer Zelle gerichtet werden kann. Also befestigten die Forscher ein auf Licht reagierendes Protein an einem Flashmob-Protein und fügten dann ein leuchtendes Protein hinzu, damit sie ihre Erfindung unter dem Mikroskop betrachten konnten. Dann steckten sie das ganze Zeug in Zellen, die sie in Petrischalen gezüchtet hatten. „Indem man sich diesen Hybrid ausdenkt und ein Licht anstrahlt, stößt man das System an“ und es bilden sich Tröpfchen, sagt Haataja, ein Mitarbeiter des Projekts. Überall dort, wo das Team ihre Zellen mit einem blauen Laser beschoss, bildeten sich im Handumdrehen Tröpfchen.

So verblüffend es auch war, endlich in der Lage zu sein, Tröpfchen in einer Zelle zu manipulieren, irgendetwas beschäftigte den Bioingenieur in Brangwynne immer noch. Es war ein Zahlenproblem. In der Natur, sagt Brangwynne, sammeln sich die Flash-Mob-Proteine, die die Tröpfchenbildung antreiben, in Clustern an, die jedes Mal die gleiche Anzahl an Partnern haben. Er war neugierig, ob sich Tröpfchen mit weniger oder mehr Partnern bilden würden und was genau die Schwellenkonzentration für die Tröpfchenbildung war. Er konnte diese und ähnliche Fragen nicht beantworten, da das vom Team ausgewählte lichtempfindliche Protein nicht in gleichmäßiger Anzahl zusammenkam.

Für Brangwynne ging es im Tröpfchenfeld darum zu zeigen, dass die physikalischen Prinzipien, die den Flüssigkeitsfluss in einer Lavalampe oder einem Salatdressing regeln, auch für das mikroskopische Milieu der Zelle gelten. Experten in so unterschiedlichen Bereichen wie Polymerphysik und Zellbiologie untersuchen Tröpfchen, und um an die Wahrheit zu gelangen, kann es erforderlich sein, verschiedene wissenschaftliche Kulturen miteinander zu verbinden, sagt er. Physiker und Mathematiker formulieren ihre Hypothesen mit Zahlen und Gleichungen, während Biologen Zeichnungen oder Diagramme verwenden können. Brangwynne ist ausgebildeter Physiker und glaubt, dass die Biologie im 21. Jahrhundert immer komplexere Fragen beantworten will und daher Prinzipien der Mathematik oder Physik integrieren muss, die im 20. Jahrhundert vielleicht nicht so wichtig waren.

Brangwynne „bringt einen technischen Pragmatismus in sein Denken ein“, sagt Amy Gladfelter (Jahrgang 1996), eine Brangwynne-Mitarbeiterin und quantitative Zellbiologin an der University of North Carolina, Chapel Hill. „In der Technik geht es größtenteils um Produkte und Anwendungen, aber er verfügt über die Fähigkeit, die Prinzipien der Technik für grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen zu nutzen, die als Einzelperson oder als Denker ziemlich einzigartig ist.“

Brangwynne und seine Mitarbeiter waren auf der Suche nach einem Protein, das sich stets mit der gleichen Anzahl an Partnern anhäuft. Sie entschieden sich für Ferritin, ein im Blut vorkommendes Protein, das sich zu einem Cluster aus 24 Einheiten zusammenfügt. Das Team fügte erneut ein leuchtendes Protein hinzu, um Dinge unter dem Mikroskop zu verfolgen – genau genommen das leuchtend grüne Protein, das Shimomura in Princeton entdeckte. Sie fügten außerdem eine auf Licht reagierende Komponente und schließlich das Flashmob-Protein hinzu. Es war ein Bauprojekt im molekularen Maßstab. Tatsächlich erzeugte das neue System mit einem blauen Lichtblitz auf Befehl Tröpfchen in Zellen. Das Team nennt die Technologie „Kerngerüste zur Förderung von Tröpfchen“, kurz Corelets.

Mit Corelets ist es möglich, mit der Bewältigung der quantitativen Fragen zu beginnen, die Brangwynne beschäftigten. Das Team hat bereits einen quantitativen „Fingerabdruck“ der physikalischen Bedingungen erstellt, die zur Tröpfchenbildung in Zellen führen. Diese grundlegenden Informationen könnten Forschern eines Tages dabei helfen, zu verstehen, wie sie eingreifen können, wenn Tröpfchen bei Krankheiten nicht richtig funktionieren.

Die winzigen, lavalampenähnlichen Tröpfchen, die sich mit der Corelets-Technologie bilden und wieder auseinanderbrechen, sind „faszinierend anzusehen“, sagt Gladfelter. „Sie fließen und sie tropfen und sie verschmelzen. Sie tun diese Dinge, die denen ähneln, die wir in unserem Alltag sehen. Sie gießen Ahornsirup ein oder bereiten ein Salatdressing zu und sehen Öltröpfchen. Solche Wechselwirkungen mit Materialien sind wir gewohnt. Und wenn man es dann im mikroskopischen Maßstab betrachtet, hat man das Gefühl, in dieser unsichtbaren Welt zu sein“, sagt sie. Mit der Technologie von Brangwynne macht eine Wissenschaftlerin alles möglich und kontrolliert, was in einer Zelle vor sich geht, fast so einfach, als würde sie mit der Maus zeigen und klicken. „Das hat etwas sehr Schönes und Befriedigendes“, sagt Gladfelter.

Für José Avalos ist die Flexibilität von Corelets ein Verkaufsargument. Avalos, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Princeton, ist Mitautor der Corelets-Arbeit. Sein Interesse gilt der Verwendung von Tröpfchen, um einzellige Organismen in winzige Fabriken zu verwandeln. Um dies zu erreichen, verbindet sein Team noch mehr Proteine ​​– Enzyme, die Arzneimittel oder Kraftstoffe auf nachhaltigere Weise herstellen könnten – mit Brangwynnes Systemen. Das ursprüngliche Werkzeug hatte Avalos gezwungen, seine Enzyme an ein riesiges Proteinkonglomerat anzuheften. Aus molekularer Sicht war es überfüllt, und in dieser Situation „werden einige Enzyme einfach nicht glücklich sein“, sagt Avalos. Das Corelets-System sei anders strukturiert, sagt er, und es sei möglich, weniger überfüllte Versionen zu entwickeln, die die Enzyme glücklich und funktionsfähig halten.

Parallel zu Corelets entwickelten Brangwynne und seine Mitarbeiter ein weiteres Tool. Diese CasDrop genannte Technik beschwört nicht nur nach Belieben Tröpfchen, sondern bildet sie auch an bestimmten Stellen in der DNA in im Labor gezüchteten Zellen. Das Zielgerät, das die Tröpfchen auf die DNA ausrichtet, ist ein Protein namens Cas9, eine Komponente des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Gen-Editing-Systems namens CRISPR. Dieses Cas9 ist so modifiziert, dass es seine Zielsuchfähigkeiten beibehält, aber nicht in der Lage ist, DNA abzuschneiden.

Amy Strom, Postdoktorandin in Brangwynnes Gruppe, nutzt CasDrop, um mehr über das Zusammenspiel zwischen Tröpfchen und dem Genom zu erfahren. Die Arbeitshypothese ist, dass Tröpfchen die Fähigkeit haben, die Art und Weise zu beeinflussen, wie eine Zelle genetische Anweisungen liest, um zu beeinflussen, welche Gene aktiviert oder deaktiviert werden. „Ich bin von dieser Technologie sehr begeistert“, sagt Strom. „Wir können neue Fragen stellen, die wir vorher nicht beantworten konnten.“

Sowohl Corelets als auch CasDrop erregen Aufmerksamkeit. Scientific American zählte sie zu den zehn aufstrebenden Technologien des Jahres 2019. Die Fachzeitschrift Nature nannte CasDrop eine Technologie, die man im Jahr 2020 im Auge behalten sollte. Im Dezember hielt Brangwynne auf einer Zellbiologiekonferenz einen virtuellen Vortrag über die Tools. Ein begeisterter Wissenschaftler postete auf Twitter eine Reaktion auf den Vortrag. Der Tweet enthielt ein Emoji mit offenem Mund und einer Pilzwolke, die aus seinem Kopf auftauchte. Übersetzung: umwerfend.

Während Brangwynnes Labor einen biotechnologischen Ansatz nutzte, um Tröpfchen auf Befehl zusammenwachsen zu lassen, formierte sich in Princeton eine Bioingenieur-Gemeinschaft. Die Princeton Bioengineering Initiative startete im November unter der Leitung von Brangwynne. Bei einem Auftaktvortrag während der virtuellen Launch-Party bezeichnete Brangwynne die Pläne für die Initiative als „unverschämt ehrgeizig“. Die Community umfasst Ingenieurs- und Biowissenschaftsabteilungen sowie Physik und Informatik. Derzeit laufen Mittelbeschaffung und Planung für ein Gebäude, das als Zentrum für physikalische Biotechnik dienen soll. Die im vergangenen Herbst gestartete Community-Engagement-Kampagne „A Year of Forward Thinking“ von Princeton befasste sich im März mit einem Bioengineering-Thema. Die Initiative rekrutiert die ersten renommierten Postdoktoranden. In der Ausschreibung heißt es: „Besonders begrüßen wir Projekte, die die Entwicklung neuartiger Technologien zum Ziel haben.“

Brangwynne strahlt, als er über Bioingenieurwesen in Princeton spricht. „Es ist der Bereich, der die Menschheit in diesem Jahrhundert verändern wird“, sagt er. Er hofft, dass die Bioengineering-Initiative neue Kooperationen zwischen der Fakultät von Princeton und dem Netzwerk von Pharma- und Biotech-Unternehmen in New Jersey auslösen wird. Er träumt von medizinischen Geräten der nächsten Generation, intelligenteren Tests, die schneller erfolgreiche Medikamente hervorbringen, und Lösungen für Probleme wie Krebs oder Demenz.

Er träumt jedoch nicht mit Scheuklappen. „Wir sind uns der enormen ethischen Implikationen einiger der Technologien, die zur Biotechnik gehören, sehr bewusst“, wobei die CRISPR-Genbearbeitung vielleicht an erster Stelle steht, sagt er. Gleichzeitig wird nicht jede Technologie in der Biotechnik das gleiche Maß an Besorgnis hervorrufen, und wie in jedem Bereich erfordern unterschiedliche Technologien ein unterschiedliches Maß an Voraussicht und Vorsicht bei ihrer Anwendung. „Wir erleben derzeit auf absolut massiver globaler Ebene einen riesigen Erfolg der Biotechnik“, sagt Brangwynne und bezieht sich auf den Einsatz von Impfstoffen zur Steuerung der menschlichen Immunantwort zur Bekämpfung von COVID-19. „Ich denke, man muss vorsichtig, pragmatisch und realistisch sein, wenn es darum geht, wo wir Grenzen ziehen“, sagt er, denn unterschiedliche Menschen fühlen sich unterschiedlich wohl mit der Ethik bestimmter biotechnologischer Technologien.

Während die Planungen für das Institut für Biotechnologie weitergehen, herrscht im Brangwynne-Labor geschäftiges Treiben. Im Juli wurde Brangwynne zum Preisträger der Blavatnik National Awards ernannt – eine Ehre, die mit 250.000 US-Dollar verbunden war, dem größten uneingeschränkten Wissenschaftspreis für junge Forscher. Im Oktober erhielt das Labor vom Verteidigungsministerium einen äußerst wettbewerbsfähigen fünfjährigen Zuschuss in Höhe von 7,5 Millionen US-Dollar. Gladfelter, Avalos und Pappu gehören zu Brangwynnes Co-Preisträgern. Gemeinsam werden sie mit den Mitteln Grundregeln für die Entwicklung von Tröpfchen herausfinden, um neue und nützliche Produkte herzustellen. Eine mögliche Anwendung dieser Arbeit sind Tröpfchen, mit denen fortschrittliche Materialien herausgepumpt werden sollen, die für die nationale Sicherheit wichtig sind. Unabhängig davon haben Brangwynne und andere im Tröpfchenbereich tätige Arzneimittel-Startups gegründet, um Therapien für Krebs und andere Krankheiten zu kommerzialisieren, bei denen Tröpfchen fehlschlagen.

Haataja, sein Mitarbeiter und Eishockey-Gegner, ist zuversichtlich, dass Brangwynne weiterhin erfolgreich sein wird. „Cliff on the Ice ähnelt Cliff the Scholar“, sagt Haataja. „Er ist hartnäckig. Er gibt nicht auf. Er fordert sich selbst heraus, aber auf eine gute Art und Weise. Und wenn er etwas tut, dann tut er es mit 100 Meilen pro Stunde.“

Carmen Drahl *07 ist eine in Washington, DC lebende Autorin, deren Werke in Forbes und Scientific American erscheinen.