Das Wunder der Entwicklung

Ein Interview mit dem Freiburger Biologen und gebürtigen Griechen Dr. Giorgos Pyrowolakis.

Was erforschst du mit deiner Arbeitsgruppe?
Wir sind daran interessiert, herauszufinden, wie Zellen während der Entwicklung kommunizieren. Das Erstaunliche ist, dass bei diesen Prozessen sehr wenige Signalwege vorhanden sind, über die Zellen kommunizieren können, und trotzdem so viel passiert. Wie schafft das ein Organismus? Dabei spielen viele verschiedene Faktoren eine Rolle: Ein Signal hat beispielsweise nicht auf jede Zelle die gleiche Wirkung. Wir sind daran interessiert, wie diese Signale aufgebaut sind. Was sind die Mechanismen, die die Signale aus dem extrazellulären Raum außerhalb der Zelle weiterleiten in ihren Kern? Was passiert im Kern? Und wie wird gewährleistet, dass nicht immer dasselbe bei dem gleichen Signal passiert?

Giorgos Pyrowolakis ist Gruppenleiter am Institut für Biologie I, Abteilung Entwicklungsbiologie, der Albert-Ludwigs-Universität und Mitglied des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS. Foto: Katrin Albaum

Gibt es einen bestimmten Modellorganismus, mit dem ihr arbeitet?
Wir arbeiten hauptsächlich mit Drosophila melanogaster, der Fruchtfliege. Sie ist verhältnismäßig einfach gebaut, was viele technische Vorteile mit sich bringt. Man kann diesen Modellorganismus zum Beispiel gut manipulieren. Das Wichtigste ist, dass die Signalwege hoch konserviert sind – das bedeutet, sie sind ähnlich aufgebaut in der Fliege wie auch beim Menschen. Die Aussagen, die wir bei Drosophila gewinnen, können wir fast eins zu eins auf das menschliche System übertragen. Mit Drosophila-Fliegen können wir unsere Fragen aber schneller und besser beantworten. Und natürlich vermehren sich Fruchtfliegen wie die Fliegen: Ein Lebenszyklus dauert insgesamt etwa zehn Tage – in dieser Zeit entwickeln sie sich vom Embryo zu geschlechtsreifen, adulten Fliegen.

Was habt ihr beispielsweise herausgefunden?
Wir arbeiten viel mit einer bestimmten Art von Signalprozessen, die besonders anspruchsvoll ist. Bei Signalprozessen in und zwischen Zellen stellt man sich häufig vor, dass es ein Signal gibt, das eine Zelle sendet und eine empfängt. Es gibt aber Signale, die sind viel komplizierter: Gewebe werden zum Beispiel von Gradienten, also Konzentrationsgefällen von Signalen organisiert. Das Protein Dpp breitet sich beispielsweise bei der Entwicklung im Flügel der Fruchtfliege aus. Je nachdem, wie hoch die Konzentration dieses Proteins an einer bestimmten Stelle ist, wissen die Zellen an dieser Stelle jeweils, wie sie sich verhalten sollen. Wir haben festgestellt, dass ein zweites Protein, das Pentagone heißt und das wir entdeckt haben, die Ausbreitung von Dpp steuert. Ohne Pentagone würde es keinen Gradienten geben, die Flügel der Insekten wären kleiner und ihre äußere Vene würde fehlen. Erst Pentagone bringt Dpp dazu, sich weiter auszubreiten. So vergrößert es die Reichweite des Proteins und sorgt dafür, dass dieser sozusagen mitwächst, wenn der Flügel größer wird. Die Proteine Dpp und Pentagone liegen in ähnlicher Form auch beim Menschen vor und steuern bei uns zum Beispiel, wo Zellen Finger formen.

Was ist für dich das Spannendste an der Entwicklungsbiologie?
Die Prozesse, die bei der Entwicklung eines Organismus ablaufen, sind ein Wunder! Sie sind komplex und laufen parallel ab, meist ohne Fehler. Bei meinen beiden Kindern konnte ich Entwicklungsbiologie zweimal hautnah miterleben, wodurch ich viel mehr Bewunderung und Respekt vor diesen Prozessen bekommen habe. Die Ähnlichkeiten bei der Entwicklung von verschiedenen Lebewesen sind verblüffend: Als meine beiden Kinder noch im Mutterleib waren und ich die ersten Ultraschall-Bilder gesehen habe, habe ich viele Parallelen zu den Entwicklungsstadien bei Fruchtfliegen gesehen. (Lacht.) Dadurch erscheint mir meine Arbeit weniger abstrakt und sie hat für mich eine andere Bedeutung bekommen. Und ich habe die Notwendigkeit besser verstanden, dass man diese Prozesse verstehen muss: Nur so kann man zukünftig eingreifen, wenn es doch eine Störung gibt. Dass diese komplexen Vorgänge überhaupt meist richtig ablaufen und alles funktioniert, ist faszinierend.

Fruchtfliege Drosophila melanogaster

Eine Fruchtfliege der Art Drosophila melanogaster. Bild: CC BY-SA 2.5 André Karwath aka Aka

Wie bist du dazu gekommen, gerade mit Fliegen zu arbeiten?
Durch meine PostDoc-Zeit. Ich habe viel Biochemie gemacht und daher in vitro gearbeitet. Und mir fehlte es immer ein bisschen, in vivo zu arbeiten, mit einem Organismus. Nur so kann man wirklich feststellen, ob das, was wir erforscht haben, auch auf den Organismus einen Effekt hat und dafür relevant ist. Ich habe mich dann für Drosophila entschieden, weil ich in diese Arbeit mit meinem vorherigen Wissen schnell einsteigen konnte. Dann habe ich erst einmal angefangen, Männchen und Weibchen zu sortieren, um Kreuzungen anzusetzen. Das war das erste Mal, das ich überhaupt im Labor mit Fliegen gearbeitet habe. Eine der ersten Kenntnisse, die ich erwerben musste: Wie erkennt man die sehr jungen weiblichen Fliegen, die noch nicht schwanger sein können? Die muss man jeden Morgen sammeln, um die Fliegen gezielt kreuzen zu können. Heute erkenne ich auch bei einer Fliege, die zu Hause auf einer Banane sitzt, welches Geschlecht sie hat und ob sie schwanger ist.

Was ist das Ziel deiner Forschung?

Wir wollen Signale in der Tiefe verstehen, sodass man sie voraussehen und steuern kann. Die Feinregulation von Signalen ist extrem wichtig, auch für pharmazeutische Anwendungen. Man kann ein Signal nicht einfach ausschalten und den Liganden – das Signalmolekül – wegnehmen, man muss es feinregulieren. Wir wollen herausfinden: Welches sind die Mechanismen, die ein Signal hoch- und runterregulieren und wie kann man die benutzen, um ein Signal in seiner Dynamik zu manipulieren? Signalnetzwerke sind so komplex wie das Räderwerk in einer mechanischen Uhr: Man muss erst verstehen, was man wo verändern muss, damit die Uhr in einem schnelleren oder langsameren Rhythmus tickt. Wenn ich an einer Stelle in einem Signalnetzwerk etwas verändere, weiß ich vorher nicht, was mit dem Netzwerk insgesamt passiert. Wir kennen mittlerweile die meisten Signale in Lebewesen, aber wir müssen noch genau verstehen, welches Signal in welcher Stärke was bewirkt. Wir wollen zudem die Evolution besser verstehen und feststellen, warum sich bestimmte Merkmale so entwickelt haben, wie sie sind. In der Lehre ist es mir wichtig, meine Begeisterung für die Entwicklungsbiologie und die Forschung mit dem Modellorganismus Drosophila an Studierende weiterzugeben.

Was war die größte Herausforderung, die du bisher in deiner Forscherkarriere bewältigen musstest?
Es wäre gut, wenn es eine Plattform für kontinuierliche Forschung geben würde und man sich nicht ständig um die Finanzierung sorgen müsste. Diese Unruhe und die Sorge um die Zukunft sind für mich derzeit die größten Herausforderungen. Wenn man sich als Wissenschaftler schnell bewegen muss, bleiben große Fragen auf der Strecke und es beeinflusst die langfristige Qualität der Forschung. Man befasst sich weniger mit „High risk, high gain“-Projekten, für die man sich erst neue Kenntnisse aneignen müsste, die riskanter sind oder bei denen man eine längere Durststrecke hat, bevor es interessante Ergebnisse gibt. Meiner Meinung nach wird zu wenig gemacht für junge Forscher, auch wenn es da gute Ansätze in die richtige Richtung gibt, wie das Tenure Track System.

Ist Freiburg für dich ein gutes Umfeld?
Ja, innerhalb und außerhalb der Uni. BIOSS ist für mich ein sehr schönes Umfeld, in dem ich vor allem den Austausch schätze – ob es um technische Fragen oder mögliche Kollaborationen geht. Man ist nicht isoliert, sondern Teil einer hervorragenden Gruppe. Und Freiburg ist eine tolle Stadt für meine Familie. Sie hat genau die richtige Größe: Ich genieße, dass man überall mit dem Fahrrad oder sogar zu Fuß hinkommt. Die Lebensqualität hier ist sehr hoch und es ist eine sehr sympathische Stadt. Ich hatte da Glück in meinem Leben, ich war immer an schönen Orten. Aufgewachsen bin ich Griechenland, auf Kreta in der Stadt Chania. Dann habe ich in Mainz und Heidelberg studiert. In Heidelberg und München habe ich meine Doktorarbeit geschrieben. Danach war ich in Griechenland 18 Monate in der Armee, bevor ich in Basel mein PostDoc gemacht habe und schließlich hergekommen bin. Das kannst du dir ja nicht immer aussuchen, in welche Städte du ziehen musst: Du bewirbst dich und gehst dann dorthin, wo es gerade inhaltlich für dich am spannendsten ist.
Was ich hier in Freiburg auch genieße: Man ist hier sehr gut angebunden, auch Flughäfen sind nah und bequem zu erreichen.

Welche Erfahrungswerte hast du aus deiner Zeit in der griechischen Armee mitgenommen?
Ich weiß, was ich nicht machen will. (Lacht.) Nein, es war eine gute Erfahrung für mich. Ich habe Leute kennen gelernt, die ich sonst nie getroffen hätte, im guten wie im schlechten Sinne. Man hat als Mensch oft ein eingegrenztes Umfeld und als Wissenschaftler zum Beispiel nur noch mit Kollegen aus der eigenen fachlichen Disziplin zu tun. Ich habe in der Armee viele verschiedene, tolle Menschen mit unterschiedlichsten Hintergründen kennen gelernt, die ich sonst wahrscheinlich verpasst hätte, und das wäre sehr schade. Darunter auch viele Jungs, die nicht einmal Lesen und Schreiben konnten und dadurch weniger gute Zukunftsaussichten hatten. Das war für mich ein Dämpfer und hat mir vor Augen geführt, dass die Probleme, die wir haben, manchmal gar keine sind, wenn man das in der Relation sieht. Ich bin in der Zeit realistischer geworden, was meine Ansprüche angeht.

Wenn du Nachwuchsforscherinnen und -forschern einen Rat geben könntest, welcher wäre das?
Trotz allem sollte man das machen, was einem Spaß macht und nicht aktuellen Trends folgen. Diese ändern sich auch schnell: Forschungsfelder oder -richtungen, die heute populär oder aufstrebend ist, sind in einem Jahr eventuell schon wieder vom Tisch. Deshalb ist es gut, seinem Herz zu folgen, obwohl es, wie gesagt, etwas mühsam sein kann.
Außerdem ist es gut, sich eine breite Wissensgrundlage anzueignen und viel zu lernen. Ich habe mich zum Beispiel in meiner Diplomarbeit mit Mikrobiologie beschäftigt, in meiner Doktorarbeit habe ich in einem Hefelabor Biochemie sowie ein Maus Knock-out gemacht und in meinem PostDoc habe ich mit Drosophila gearbeitet und Signalforschung betrieben. Dadurch kann ich ein Problem von mehreren Seiten, aus mehreren Blickwinkeln betrachten.

Wie Pentagone ein Konzentrationsgefälle von Dpp erzeugt

Wie Pentagone ein Konzentrationsgefälle von Dpp erzeugt: Dpp bindet an Rezeptoren, die sich auf der Oberfläche der Zelle im zukünftigen Flügel befinden, und setzt in der Zelle eine Signalkette in Gang. Abhängig von der Menge der Rezeptoren, die Dpp binden, aktiviert die Signalkette verschiedene Gene. Pentagone bindet an Teile des Rezeptors, an so genannte Co-Rezeptoren (rot). Diese funktionieren wie Fangarme: Sie „ergreifen“ Dpp und geben dieses an den Rezeptor weiter. Pentagone (grün) bewirkt, dass die Co-Rezeptoren von der Zelle aufgenommen und in ihrem Inneren abgebaut werden (gelb/grün). Somit gibt es auf der Zelle weniger Co-Rezeptoren, die Dpp binden und weitergeben können, und die Rezeptoren sind weniger aktiv. Hier gibt es die Originalpublikation dazu. Bild: AG Pyrowolakis

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Katrin Albaum ist Redakteurin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am BIOSS. Sie hat Allgemeine Sprachwissenschaft, Philosophie und Englisch an der Universität zu Köln studiert. Nach dem Studium lernte sie bei einem zweijährigen Volontariat in der Pressestelle der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg alle Facetten der Hochschul- und Wissenschaftskommunikation kennen. Zusätzlich zu ihrer Stelle beim BIOSS arbeitet sie als Mitarbeiterin für Marketing und PR beim Gründerbüro der Universität Freiburg.

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