Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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FAIR-Experimentierprogramm: Forscherteam analysiert Reparaturvorgänge in strahlengeschädigten Zellen

17.02.2020

Es sind zukunftsweisende Forschungsergebnisse, die modernste Physik und Biologie kombinieren und zugleich das große Potenzial des künftigen FAIR-Beschleunigerzentrums demonstrieren: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung haben die Reparaturvorgänge in menschlichen Zellen nach Strahlenschäden so direkt und hochauflösend beobachten können wie nie zuvor. Ein genaues Verständnis der DNA-Reparaturmechanismen ist von großer Bedeutung beispielsweise für Risikoabschätzungen bei Langzeitmissionen in der Raumfahrt.

Für die Bestrahlungsexperimente an der Beschleunigeranlage auf dem GSI- und FAIR-Campus in Darmstadt wurden hochenergetische Ionenstrahlen verwendet, die auch charakteristisch für die kosmische Strahlung im Weltraum sind, und mit modernen Mikroskopie-Techniken verbunden. Die Untersuchungen liefen im Rahmen der ersten Stufe des FAIR-Experimentierprogramms, der sogenannten „FAIR-Phase 0“. Seine Ergebnisse hat das Team der GSI-Abteilung Biophysik nun in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht, die von der Nature Publishing Group herausgegeben wird und alle Bereiche der Naturwissenschaften abdeckt.

An dem eigens entwickelten Messplatz am Beschleuniger bestrahlten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler etablierte menschliche Zellkulturen mit Schwerionen, die Doppelstrangbrüche hervorrufen und somit eine Schädigung der Erbinformation (DNA) verursachen. Während und unmittelbar nach der Bestrahlung konnte das Forscherteam die dynamischen Vorgänge der Schadenserzeugung und die sich anschließenden Reparaturprozesse in den erbgutgeschädigten Zellen mittels sogenanntem „Live Cell Imaging“ an einem speziell aufgebauten Mikroskop direkt am Strahlplatz genau beobachten. Dazu wurden die Proteine, die in der Zelle für die Reparatur verantwortlich sind, so mit fluoreszierenden Farbstoffen versehen, dass sie im Mikroskop sichtbar waren. Die ferngesteuerte Anordnung ermöglichte es, die Proteindynamik im Zellkern lückenlos und ohne Unterbrechung von der Schadensspur bis zur biologischen Antwort der Zelle zu beobachten und visuell im Film festzuhalten.

Besonders wertvoll für neue grundlegende Erkenntnisse über die Reparaturabläufe in menschlichen Zellen ist die Möglichkeit, mit hochenergetischer Schwerionenstrahlung in ein und derselben Zelle gleichzeitig sowohl einzelne als auch gebündelte DNA-Schäden zu erzeugen und in Echtzeit zu untersuchen, was früher nur separat möglich war. Bei einer solchen räumlichen Schadensverteilung liegen viele DNA-Doppelstrangbrüche geballt entlang einer dicht-ionisierenden Schadensspur und nur einzelne, einfache Schäden außerhalb der Spur. Die Forscher konnten somit gleichzeitig beobachten, wie die selbe Zelle auf komplexe Schäden und auf einzelne Schäden reagiert.

Die Ergebnisse der Messungen zeigen Unterschiede bei dieser Schadensantwort: Die DNA-Reparaturproteine scheinen schneller an die geclusterten Schäden rekrutiert zu werden als an die einzelnen DNA-Schäden außerhalb der Ionenspur. Dafür scheint dort die verzögert begonnene Reparatur rascher zu erfolgen und weniger schwierig zu sein. Somit zeigen die Ergebnisse deutlich einen Einfluss der Qualität der DNA-Schäden auf die Dynamik der frühen Strahlenantwort und der Reparatur und lassen es sinnvoll erscheinen, einfache und gebündelte DNA-Schäden bei Betrachtungen zur Strahlenwirkung getrennt zu behandeln.

Möglichst exakte grundlegende Erkenntnisse über Reparaturabläufe in Zellen helfen der Wissenschaft auch, die Entstehung von Krebs besser nachzuvollziehen. Wenn DNA-Schäden fehlerhaft repariert werden, die Reparatur der Doppelstrangbrüche somit nicht richtig funktioniert, steigt das Krebsrisiko. Die hochenergetische Ionenstrahlung entspricht zudem der kosmischen Strahlung, mit der Astronauten bei Langzeitmissionen, etwa zum Mars, konfrontiert werden. Deshalb sind Forschungen, wie sie die GSI-Biophysik durchführt, wichtig für eine möglichst passgenaue, differenzierte biologische Risikoabschätzung in der Raumfahrt.

Der Leiter der GSI-Biophysik, Professor Marco Durante, betonte: „Es sind sehr innovative Untersuchungen, die erst durch die hohen Energien möglich werden, wie sie in der FAIR-Phase 0 bereitstehen. Wir konnten durch die Kombination modernster Molekularbiologie mit hochenergetischer Schwerionenphysik eine hochinteressanten Erkenntnisgewinn erzielen und durch die neuen Technologien zudem herausragende visuelle Forschungsergebnisse liefern.“

Auch der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, zeigte sich sehr erfreut über das spannende Ergebnis aus der ersten Stufe des FAIR-Experimentierprogramms und unterstrich: „Am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, werden diese Möglichkeiten noch erheblich erweitert: FAIR wird Experimente mit einem noch größeren Spektrum an Teilchenintensitäten und  -energien erlauben und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung so genau simulieren können wie keine andere Beschleunigeranlage.“ (BP)

Mehr Informationen

Veröffentlichung in Scientific Reports (auf Englisch)


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An dem eigens entwickelten Messplatz am Beschleuniger haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Zellkulturen mit Schwerionen bestrahlt, um Reparaturvorgänge in strahlengeschädigten Zellen zu analysieren.
Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

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