Der Molekularbiologe mit Hang zum Sonnenbrand

Wer seine Haut zu lange ungesch¨¹tzt der Sonne aussetzt, holt sich einen Sonnenbrand. Genauer gesagt: Die UV-Strahlung der Sonne f¨¹hrt zu einer Entz¨¹ndung betroffener Hautzellen. Wem dies zu oft passiert, muss mit vorzeitiger Hautalterung, Faltenbildung und einem erh?hten Risiko f¨¹r Hautkrebs rechnen. Doch was geschieht innerhalb der Hautzellen, wenn diese durch Sonnenstrahlen besch?digt werden?

Dieser Frage widmet sich Gabriele Fontana, Postdoc am Lehrstuhl f¨¹r Toxikologie von ETH-Professorin Shana Sturla, in seinem aktuellen Forschungsprojekt. Der in der N?he von Cremona aufgewachsene Biologe forscht seit 2019 an der ETH Z¨¹rich. Seine Faszination f¨¹r die molekulare Welt der Zellen entdeckt er aber schon viel fr¨¹her. 

Ein Flair f¨¹r die Molekularbiologie

Bereits im Schulunterricht begeistert sich Fontana f¨¹r Chemie und Biologie. Von wissenschaftlichen Experimenten kann er nicht genug kriegen. Doch es ist nicht die klassische Biologie, mit ihrem Fokus auf Botanik und Zoologie, die es ihm antut. Vielmehr interessiert sich Fontana f¨¹r das noch relativ junge Forschungsfeld der Molekularbiologie. Diese besch?ftigt sich mit der Regulation und Funktion unserer Gene und untersucht deren Interaktion mit Proteinen. F¨¹r Fontana liegt hier, im Inneren der Zellen, der Schl¨¹ssel, um Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise und Entwicklung von Medikamenten zu verbessern.

Als er 2001 sein Biologiestudium in Mailand beginnt, war die Analyse und Sequenzierung von DNA noch sehr aufwendig und kostspielig. Noch w?hrend seines Studiums erlebt Fontana wie selbst die Sequenzierung ganzer Genome schnell und einfach m?glich wird. Er ist begeistert von den M?glichkeiten, die neue genetischen Methoden bieten und will selbst damit experimentieren.

F¨¹r seine Doktorart bleibt er an der Universit?t Mailand-Bicocca und untersucht die molekularen Ursachen der Krankheit Amyotrophe Lateralsklerose, einer nicht heilbaren Erkrankung des motorischen Nervensystems. Nach Abschluss seiner Doktorarbeit entscheidet er sich f¨¹r einen Postdoc am Friedrich Miescher Institut f¨¹r biomedizinische Forschung in Basel.

Ein Pflaster f¨¹r DNA-Sch?den

In Basel untersucht der damals 30-J?hrige, wie Zellen DNA-Sch?den selbst reparieren. Diese Mechanismen sind essenziell, da gr?ssere Sch?den zu b?swilligen Mutationen und daraus folgend Krebs f¨¹hren k?nnen. ?Meine Kolleginnen und Kollegen am Friedrich Miescher Institut und ich haben die Schl¨¹sselrolle eines Proteins namens Rif1 entdeckt?, sagt Fontana. Dieses Protein wirkt wie ein molekulares Pflaster f¨¹r besch?digte DNA.

Fontana erkennt, dass dieser Prozess an ganz bestimmten Orten in der Zelle stattfindet. ?Wenn ein DNA-Strang gebrochen ist? erkl?rt er, ?wird die besch?digte DNA an den Rand des Zellkerns gebracht, wo das Protein Rif1 wartet und sie repariert.? Als der ETH-Forscher diesen Vorgang erstmals unter dem Mikroskop beobachtet, kann er es kaum glauben. Es gibt in der Zelle also einen bestimmten Ort, eine Art Werkstatt inklusive Lieferdienst, wo bestimmte DNA-Sch?den repariert werden. So genau konnte das bis anhin noch niemand zeigen.

Hautzellen unter dem Mikroskop

Nichts an der unscheinbaren grauen Box im Labor f¨¹r Toxikologie der ETH Z¨¹rich deutet darauf hin, dass es sich bei diesem Ger?t um den Ferrari der UV-Bestrahlung handelt. Eingeklemmt zwischen einer Zentrifuge und einem Glaskasten voll mit Laborger?ten ist die quadratische Edelstahlbox f¨¹r den Laien leicht zu ¨¹bersehen. Doch f¨¹r Fontana ist sie ein unerl?ssliches Instrument, um die sch?dlichen Auswirkungen von UV-Strahlen auf die menschliche Haut zu untersuchen.

Nach f¨¹nf spannenden Jahren in Basel wechselt er 2019 an die ETH. Auch in Z¨¹rich besch?ftigt er sich mit DNA-Sch?den und ihren pathologischen Folgen. Doch im Unterschied zu seinem Forschungsprojekt in Basel, wo er haupts?chlich mit Hefezellen arbeitete, untersucht er nun menschliche Hautzellen. Diese sind st?ndig Umwelteinfl¨¹ssen ausgesetzt, welche das Genom destabilisieren, und eignen sich daher besonders gut, um diese Sch?den zu beobachten. 

Der ETH-Forscher setzt menschliche Hautzellen, die als Kulturen im Labor gez¨¹chtet werden, systematisch UV-Strahlung aus. Anschliessend untersucht er unter dem Mikroskop mittels unterschiedlicher biochemischer und genetischer Methoden, was dabei im Inneren der Zellen passiert. Dabei st?sst er auf einen Mechanismus, den wir bis anhin nur bedingt verstanden haben.

Die Grundlage f¨¹r neue Sonnenschutzmittel

?Erh?hte UV-Strahlung f¨¹hrt zu Sch?den und Mutationen an bestimmten Stellen der Kern- und mitochondrialen DNA. Diese Ver?nderungen von Hautzellen k?nnen wir als neuen Indikator f¨¹r Hauterkrankungen und Hautalterung verwenden?, fasst Fontana die Ergebnisse einer Studie zusammen, die er zusammen mit seiner Betreuerin externe SeiteHailey Gahloncall_made verfasste. Auf der Grundlage solcher Biomarker soll es in Zukunft m?glich sein, pathologische Hautzellen fr¨¹her und besser zu erkennen.

Doch der Biologe entdeckt nicht nur einen molekularen Zusammenhang zwischen UV-Strahlung und DNA-Mutationen in Hautzellen. In Zusammenarbeit mit dem Schweizer Unternehmen Mibelle Group untersucht er, wie sich diese Sch?den durch besondere Wirkstoffe, die in Zukunft f¨¹r kosmetische Produkten verwendet werden k?nnten, reduzieren lassen. ?Diese Erkenntnisse k?nnten die Grundlage f¨¹r eine neue Generation von Sonnenschutzmitteln mit effizienteren UV-Filtern bilden?, sagt der ETH-Forscher nicht ohne Stolz.

Kollaboration als Schl¨¹ssel zum Erfolg

F¨¹r seine Forschung an der ETH Z¨¹rich wurde Fontana 2021 mit dem James Mitchell Award ausgezeichnet. Dieser Preis ehrt Nachwuchsforschende, die in ihrer Forschung ¨¹ber disziplin?re Grenzen hinweg zusammenarbeiten. ?Ohne aktive Zusammenarbeit mit andreen Disziplinen?, betont Fontana, ?geht in der Molekularbiologie gar nichts?. Allein in seiner Forschungsgruppe arbeiten Chemiker, Physiker Molekularbiologen, Toxikologen und Bioinformatiker an gemeinsamen Fragen.

Dabei verfolgen alle ein gemeinsames Ziel: die molekularen Mechanismen von Krankheiten besser zu verstehen und dadurch die Grundlage f¨¹r neue Behandlungsmethoden zu legen. Es ist vor allem dieses Denken ausserhalb von Silos, das Gabriele Fontana an der Molekularbiologie fasziniert.