Martin Chalfie (2010) - Adventures in Nontranslational Research

SummaryProfessor Martin Chalfie regrets the disproportionately high funding of translational research, defined as applied research for the treatment of human diseases. With examples from the research in his lab he wants to show how important nontranslational (basic) research can be

Thank you Countess Bettina and Wolfgang Schurer and the other members of the Lindau foundation for inviting me here. I had a great time last year and this year looks like it’s the same way, so I’m very happy to be here. I want to start off by explaining the title. As you must have an idea now from several of the talks about what translational research is, it’s usually defined as taking the discoveries from the laboratory and applying them either for the cure or treatment of human diseases. And unfortunately in my opinion this has become almost the sole rationalisation sometimes of how things should be funded. To give you one example, when the Obama administration gave a very nice amount of money to NIH, the NIH first took the money from the stimulus package and had a series of challenge grants. And the challenge grants were 100 different challenges that people could apply for money and they were going to be funded. Of those 98 of the 100 challenges were translational, 2 were not. I have nothing at all against translational research, as I get older I actually think it’s extremely important but I think this proportion of 98 to 2 is completely wrong. And to me one of the very best definitions, and so I’ve entitled this 'non translational' and I’ll think you’ll see why, it doesn’t mean there’s not implications of the work but that’s not the direction the work has gone. To me one of the best definitions or descriptions of what I would call non translational research and the importance of basic research as Bob pointed out was actually done in part in testimony by Robert Wilson, a different physicist, Robert Wilson to the one that’s there, this is the physicist, sculpture, architect who designed the Fermi Labs. And in 1969 he was asked by congress to come and testify to, because congress was going to fund this lab and they wanted some justification. And senator John Pastore from Rhode Island tried to sort of ease Wilson into the discussion by asking him questions like And Wilson said "They won’t." And he said "Well no, isn’t there other things that it will help?", he said "No, none of these things." And finally after being pushed for quite a while he came up with this wonderful statement that the research has only to do with the respect with which we regard one another, the dignity of man, our love of culture, it has to do with whether we are good painters, good sculptures, great poets. I mean all the things we really venerate in our country and are patriotic about. It has nothing to do directly with defending the country except to make it worth defending. So with that as the background I want to tell you a little bit of my history and some of the things that have gone on in my lab and what I’ve been interested in. And I’m going to start with what has motivated me for much of my life. Now actually only since I’m a post doc have I been really interested in the particular problem that I’m going to mention but for means of demonstration I’m going to use a younger self of mine here. And what I’m going to try to demonstrate on this picture is, what I’ve been fascinated about now for over 30 years and that is the mechanical senses. Biologists have a very good idea about the chemical bases, the molecular bases of vision and the molecular bases of chemical senses, whether they’re smell or taste or neurotransmitter or function of hormones within the body. But we have a whole series of senses, hearing, our sense of balance and of vestibular system, tendon organs, stretch of our muscles and our senses of touch and which there are actually 5 different senses of touch, harsh painful touch, gentle touch, texture and to be able to detect through the skin either low or high frequency vibrations. And all of these mechanical senses really work because cells are pushed around, there’s some physical manipulation of the cells. They also have one other thing in common, we are clueless as to how they work at a molecular level, so again there’s a lot of work to be done for this. And this is what has preoccupied me and I also work on the nematode caenorhabditis elegans and this is a diagram of the cells that sense touch. To give you an idea of what a touch to the animal looks like, when you touch the animal it moves backwards. Animals that when we touch them don’t move backwards, could be touch insensitive animals and this is how we’ve actually isolated quite a number of mutant strains. Now of course we have to be a little more careful because animals that are dead also don’t move when you touch them but we do have ways of differentiating this. And the end result has been that we’ve been able to find quite a number of genes that encode components of this complex that are actually needed for touch sensitivity. Now when we started isolating, identifying the genes and characterizing their products, one of the very first questions we wanted to answer was what cell makes the protein, what cell activates the gene. And at the time which was about 1989 there were a number of methods of being able to localise gene activity, you could look for the protein by antibody, one could use a reporter like beta galactosidase and let it do its enzymatic reaction and produce a product. One could use in situ hybridization actually, look where the RNA was made from the activated gene. And in all of these cases what we needed to do was fix the tissue and then permeabilise it, so we were looking at dead tissue and we were looking only at a snap shot in time. And once we did the experiment we had to repeat the whole thing all over again. And went through the whole procedure. Now one of the things about C-elegans that for the 10 years before 1989 that I used to always tell people and you can sort of get a hint from that, of that middle picture there, is that the animal is transparent, we can put it on a microscope stage and really look right through it and see, using various means the cells within the animal. So I’ve been saying it’s a transparent animal, it’s a transparent animal, I sort of got that part down. And then we were doing all of this work trying to look at where genes were expressed. And it’s at that point that inspiration struck. Now to me one of the nicest examples of inspiration and more of this should be done in bars, is this, Cambridge 1953, shortly before discovering the structure of DNA, Watson and Crick, depressed by their lack of progress visit the local pub, For me the inspiration was a talk by Paul Brehm in which he talked about the work of Osamu Shimomura who will talk tomorrow or Thursday, his work in discovering first aequorin as a light producing molecule, bioluminescent molecule. And then discovering this very interesting protein, green florescent protein GFP, that produced green light in the system. And Paul Brehm in his talk said "All you have to do is shine blue light or ultraviolet light on this protein and you’re able to see green." And for the first time in a long time I did not fall asleep in the seminar, I actually listened and I said to myself, I work on a transparent animal, this would be terrific. The next day I got in touch, I thought this would be a great thing but what I actually learned about it was that GFP is a rather unusual protein, it doesn’t need any other cofactor and that was good because then we didn’t have to add anything, all we needed to add to the organism was the DNA, it would make the protein and we would be set. Unfortunately as what had been known is that there’s the peptide backbone, at this position GFP when it was matured formed this 5 membered ring. And no one at the time knew how this was going to be made and the best guess was that it was going to require at least 1 enzyme, maybe 2 or 3 or 4 converting enzymes to make the final florescent product. And if that were the case then it wouldn’t be a very good, useful tool. I was able to find that the person who was getting, making the cDNA was Douglas Prasher in Massachusetts and Douglas and I got together and talked for quite a long time on the telephone and decided to collaborate. We had a couple of years of being out of touch with each other, I thought he hadn’t actually finished the cloning, he thought I had dropped out of science, but eventually we got back together and discovered that we were both still interested and the catalyst was that I had a new student in the lab Ghia Euskirchen who had come in to work and she had just gotten her masters in engineering, chemical engineering in our engineering school at Columbia which was just the building next door to mine. And she had worked on florescence. And so it was really quite wonderful, we called up Douglas, renewed the collaboration and then we got the clone from him and one month after she started graduate school she had green florescent E-coli. And it was really wonderful, we were very excited, but you can’t see in this because, right under the words florescent, right here, use scope in engineering, our microscope was no good, we couldn’t actually see the florescence in our microscope but fortunately she had worked in that other lab in engineering and knew where there was a good microscope to look at the florescence. We then continued to do the experiment but without an appropriate microscope, that was a little hard, so I called up all the representatives of the microscope companies and told them that I was interested in buying a scope and could they bring by a demo and could they leave it for a couple of months and so we finished all the experiments on demo microscopes. I’ve recently done something similar, I don’t know if I should say this too much, in any case we were very excited about this. This led to us also showing that all we really needed was the DNA encoding for the coding sequence of the protein, that was it, no other converting enzymes were needed, only GFP. And so we eventually wrote up this work and sent it to Science and I’m going to say a little bit about publishing and how hard it is sometimes, even when you’re really excited about the work. I sent the paper to them to be reviewed, it was entitled "Green florescent protein, a new marker for gene expression." And the editors wouldn’t even send it out for review, they said "We’re sorry, the title is no good". And I said “what?” and they said “you have the word ‘new’, and you know this is Science magazine, everything is new in Science. So you have to change the title.” I was a little miffed, I changed the title to this long one: to produce a florescent product in prokaryotic and eukaryotic cells", that’s actually the whole paper. And they didn’t balk at that, the reviewers were very nice, they accepted it and then they came back and said "You know the title, it’s a little long", so finally became "Green florescence as a marker for gene expression". The next problem was this cover, which I’ve sort of enhanced the colour of here, and that was actually the problem, the art editor called me up and said "Well, we really like the picture that you have for the cover", I did too because it was showing a growing nerve cell, this is the growth cone in the living animal. And they said "We really like it but you know there’s one colour we really don’t like to have on the cover and that’s green, so can we change the colour", and I said "No, that’s no good". And the final problem with publishing is that we had already given samples to many people to work on and we wanted to cite their unpublished results and many people just said oh yeah sure that’s fine, go ahead. One person was a problem, hopefully this will come up here, and this is a letter from Tulle Hazelrigg in which she makes the demand that I make coffee every Saturday morning for the next 2 months, I prepare a special French dinner and I empty the garbage nightly for the next month, this is my wife. What she did was actually though the next really important experiment with regard to GFP because she is the person that made the first protein fusion of GFP and she used it to study a drosophila protein that she was looking at, that was made in these nerve cells and then transported and deposited into the developing oocyte in drosophila, comes to lie along here and as this demonstrated also in the posterior part of the oocyte and she was able to watch this happen in the living tissue. And so this was a very important thing. She claims I haven’t paid this up, the latest thing of this, I’ve shown this slide quite a number of times, several months ago she went to the local drug store to pick up some prescription and the pharmacist said to her: and he said "I really liked your letter". In any case the advantages of GFP are that it’s inheritable, one can give the DNA to an organism, it will be passed on to subsequent organisms and you can do repeated observations. It’s a relatively non invasive technique, we just shine blue light and that activates the protein and looks for the florescent light, so we don’t really interfere with life when we do this. It’s small monomeric and this really means it can diffuse throughout a cell to give you the entire shape of the cell and I’ll show you that in a second. And of course it can be used in living organisms, so really for the first time we have a dynamic view of cellular events rather than a static view in the tissues. So some examples, here are a bunch of animals, worms, drosophila, that's canola plant, mice, zebra fish, this is Alba, the GFP bunny that the artist Eduardo Kac commissioned so that he could bring it around to art installations and talk about the interaction of science and arts. These are some cells in culture. This is drosophila, Arabidopsis, this is a Purkinje cell and you see how all the branches of the cell are lit up by the GFP that’s in it. I want to show you a couple of other examples. I also want to point out that GFP itself, the protein is probably one of the most beautiful proteins in the world as far as I’m concerned and I had nothing to do with it, I should explain the colour code. People whose names that are in red are from my lab, people in blue they are people that I’ve collaborated with, people whose names are in black as you see here did something I wish I had done. So what this is is a lantern and the florescent centre is right here in the middle of it, physically it’s a beautiful, beautiful structure. In any case let me give you some background to the 2 movies I’m going to show. This is one of those standard descriptions of cell division, I want to just point out 2 aspects of cell division that you can look at, one is the nuclear envelop which of course has to break down for the chromosomes to separate, so there’s no nucleus during this time and then the nucleus reforms. And the second is the fact that these microtubules, these lines that you see here and these lines make what's called the mitotic spindle. And so one can watch them. So I’m going to show you 2 movies, the first movie uses GFP attached to a protein in this spindle, so you're going to see the spindle forming and this is in the developing embryo of drosophila. Now in that case there are no cellular divisions, it’s just nuclei that continue to divide. The second movie I’m going to show you is where GFP has been attached, not to any component of the cell but to a small peptide that will cause it to be inserted into the nucleus. So whenever there are nuclei around it has some place to go, when the nuclei are not there it will go away or it will go all over the place. So first here on the left cell division, both of these are taken from the American society for cell biology website, you can see them on there. And what I hope you can see in this picture is not only how these wonderful spindles are formed but the fact that everything is being done synchronously. And being able to see this synchrony is one of the things that we want to be able to do in living organisms. And while that’s going this is, and this is false coded so the more concentration of the GFP, the redder it will look, so it’s not different colour florescence coding. So now all the nuclei are formed, now they break down but now they’re breaking down in a wave, they’re not synchronise, so these 2 different aspects of nuclear division are being done or controlled in different ways. And we can watch them by watching what happens with the GFP signals. Of course there has been a lot of improvements of GFP and Roger has already told you about some of the work that he’s done in making other colours and that’s of course led to things like Josh Sanes and Jeff Lichtman’s use of these in labelling neurons, so what they call brainbow. Roger has also talked about the idea of making various molecular monitors for calcium imaging and I’m going to go sort of quickly through this, for peptide cleavage, for protein, protein interactions, basically using this force to resonance energy transfer, FRET as a way of monitoring the state of molecules within a living cell. So it’s really expanded much more than I ever imagined when we started doing our work on GFP. GFP has been transformative in my lab, actually I’m going to try an experiment I have not ever tried before here, how many people consider themselves biologists, if you are just raise your hand, ok so sort of look around, how many of you have, keep your hands up please, how many of you, keep your hand up if you’ve worked on GFP in one way or another, so almost everybody has their hand still up, so it’s been remarkable, about how many people have actually, how this has been used really all over. In my lab we’ve used it to examine gene expression, to look at the localisation of proteins, to find mutants because if we can label the cells we can mutate the animals and look for animals that had abnormal cells, nerve cells that don’t grow appropriately, nerve cells that don’t have the right connections and so on. We can also use it to label cells so we can isolate them and in one of my favourite set of experiments we’ve used it to actually be able to identify the first eukaryotic transducer of touch. So we had identified a number of components here that are part of this channel complex, including these 2 proteins, mec-4 and mec-10, which we thought were going to be the basis of touch in the worms. And we needed to record from them molecular physiologically and although we can look in the animal and we can see every cell, these are really tiny cells. So if you stick an electrode into the animal, it explodes and that’s not really good for the experiment but it also, even if you open it up, you don’t know what cell is what unless you label it with GFP and then you can see where it is. So we’ve been able to do that, I should explain the double colour code here, Miriam started as a post doc and then ended this project as a collaborator. And we were able to show by the electrical recordings that these components were important and it worked and I’m actually not going to talk about here, that we were able to actually demonstrate genetically that this was the transduction molecule. So it’s work that I’m very proud about. Since I only have a couple more minutes and you’re probably all dying of thirst, I’m going to skip talking about what we’re doing now, I’ll be glad to talk to people in the discussion part about what that is and really just go to my last slide. I’m not going to talk about any of this work but I am going to say something about this and GFP and that is that even before these various lessons that I want to go into, is that technology, and you’ve seen this also in other talks, Theodor Hänsch’s talk exemplified this also, Roger’s talk exemplified it, technology really drives a lot of science and having new ways of looking at things really allows you to make amazing findings. And we’ve been very fortunate to be able to continue to make new tools and to use new tools. But what I really want to talk about here are a couple of these lessons that I’ve learned. And the first is that scientific success comes in, by many different ways. If you look at the 3 of us that have, that shared the GFP prize, we’re 3 very different scientists. Osamu Shimomura is an incredibly dedicated, hard working, passionate about his work, biochemist who really has stuck with the problem and really works it until he gets it finished. Roger was a person who was recognised even in high school as being a really brilliant scientific mind, winner of the Westinghouse Award. My path is a little bit stranger and I won’t really go into it but it’s sort of an embarrassment to me that I very rarely if ever will talk about my chemistry grades after I’ve gotten this chemistry prize but be that as it may, there is no route to this, you just have to enjoy what you’re doing and work it and there is no right or wrong way of doing this, just being committed I think is the most important. The second thing is scientific progress is cumulative. I was really delighted to share this prize with the other 2 and in fact I could name a whole series of other people that I would love to share this prize with, because it’s really been hundreds and thousands actually of people that have modified GFP and made it the molecule that it is and increased its usefulness. So we’ve all added on to one another’s work and that’s really been the wonderful aspect of it. Third to me the students and post docs are the real innovators in the research. When we started letting people know that we had gotten GFP to work, I sort of went through all the great finds and I get people calling me up and they would say tell me about this GFP, my graduate student told me about it and I want to find out if we really want this in my lab or my post doc told me about it. So the people that were disseminating information and were getting excited about it were the students and post docs. And they still are the most important part of my lab. Finally I want to say 2 things, one that basic research is essential, it’s the engine that drives innovation and leads to the insights, that will lead to translational research and to advances in agriculture and industry in general. But basic research is essential, Bob also said this earlier. And finally we should be studying all of life, not just the model organisms, not just the flies and the yeast and the mice and the zebra fish, we should be studying everything. Look at what we almost missed by someone not studying the jellyfish and looking at a problem that’s a very fundamental problem, how is light produced by an organism. That's not a translational project, but to look at a non traditional animal, ask a very interesting and fundamental question, there are lots more of these questions to be asked and lots more to learn. Thank you very much.

Ich danke Gräfin Bettina, Wolfgang Schürer und den anderen Mitgliedern der Lindauer Stiftung für die Einladung zu diesem Treffen. Es hat mir hier im letzten Jahr außerordentlich gut gefallen und es sieht ganz so aus, als ob es dieses Mal genauso würde. Also bin ich sehr glücklich darüber, dabei zu sein. Zu Beginn möchte ich erst einmal den Titel meines Beitrags erläutern. Aufgrund der bisherigen Vorträge haben Sie sicherlich alle eine Vorstellung davon, was man unter translationaler Forschung versteht. Laut Definition geht es darum, dass im Labor erarbeitete Erkenntnisse direkt zur Heilung oder Behandlung von Krankheiten in der Humanmedizin eingesetzt werden. Mittlerweile - und das ist meiner Meinung nach sehr bedauerlich - hat sich die translationale Forschung zum ausschlaggebenden Kriterium bei der Beurteilung der Förderwürdigkeit von Forschungsprojekten entwickelt. Lassen Sie mich dies an einem Beispiel veranschaulichen - als die Obama-Regierung den nationalen Gesundheitsinstituten NIH eine stattliche Summe zur Verfügung stellte, nahmen die NIH das Geld aus diesem Fördertopf und vergaben eine Reihe von an die Erreichung bestimmter Ziele gebundener Während 98 dieser Projekte sich auf translationale Forschung bezogen, waren nur zwei davon nicht-translational. Ich habe überhaupt nichts gegen die translationale Forschung, je älter ich werde, umso wichtiger finde ich sie. Aber dieses Verhältnis von 98 zu 2 ist meines Erachtens einfach völlig unangemessen. Für mich ist eine der besten Definitionen der Art von Forschung, die ich hier als nicht-translational bezeichnet habe - und Sie werden noch verstehen, warum - nun, das heißt ja nicht, dass diese keine Auswirkungen hat, aber das ist auch nicht die Richtung, in die sich die Arbeit entwickelt... Also in meinen Augen wird das, was ich als nicht-translationale Forschung bezeichne, und die von Bob dargelegte Bedeutung der Grundlagenforschung am besten durch Robert Wilson erklärt und definiert. Es handelt sich hierbei aber um einen anderen Robert Wilson, als den hier anwesenden - es war der Physiker, Bildhauer und Architekt, der das Fermilab entworfen hat. die die finanzielle Förderung des Fermilabs durch den Kongress rechtfertigten. John Pastore, der Senator von Rhode Island, versuchte, Wilson den Einstieg in die Diskussion zu erleichtern, indem er ihn fragte, inwieweit die im Fermilab gemachten Entdeckungen der Verteidigung der USA dienlich sein würden. Und Wilson antwortete, dass sie dies nicht sein würden. Auch die Frage, ob es nicht andere Dinge geben würde, für die diese Entdeckungen nützlich sein könnten, verneinte er. Als dann immer weiter in ihn gedrungen wurde, machte er nach einiger Zeit die wundervolle Aussage, dass Forschung ausschließlich etwas mit dem Respekt, den wir füreinander aufbringen, der Würde des Menschen, unserer Liebe zur Kultur und unseren Fähigkeiten als gute Maler, Bildhauer und Dichter zu tun habe - also mit all den Dingen, die wir in unserem Land schätzen und auf die wir stolz sind. Forschung habe also nichts direkt mit der Verteidigung unseres Landes zu tun, sondern vielmehr damit, unser Land so zu gestalten, dass es überhaupt wert ist, verteidigt zu werden. Vor diesem Hintergrund möchte ich Ihnen nun einiges zu meiner eigenen Geschichte, den Entwicklungen in meinem Labor und den Dingen, für die ich mich interessiert habe, erzählen. Anfangen werde ich mit einem Thema, das mich über lange Zeit meines Lebens motiviert hat. Nun, eigentlich hat dieses spezielle Problem mein Interesse erst in meiner Zeit als Post-Doktorand geweckt. Zur Veranschaulichung habe ich ein Bild von mir aus früheren Tagen gewählt und möchte daran zeigen, was mich seit mehr als 30 Jahren fasziniert, nämlich die mechanischen Sinne. Biologen haben eine sehr genaue Vorstellung von den chemischen und molekularen Grundlagen des Sehens sowie den molekularen Grundlagen der chemischen Sinne - ob es um Geruch oder Geschmack geht, um Neurotransmitter oder die Funktion von Hormonen im Körper. Wir haben aber eine ganze Reihe von Sinnen - den Hörsinn, den Gleichgewichtssinn, das vestibuläre System, Sehnenorgane, Muskelstreckung und die Tastsinne. Es gibt allein fünf Tastsinne, d.h. Zellen, die groben Schmerz, leichte Berührung oder Oberflächenstrukturen oder über die Haut Vibrationen mit geringer oder hoher Frequenz erfassen. Und all diese mechanischen Sinne funktionieren nur deshalb, weil Zellen bewegt, d.h. physikalisch manipuliert werden. Und es gibt noch etwas anderes, das ihnen gemein ist - wir können uns ihre Wirkung auf molekularer Ebene überhaupt nicht erklären - auch da ist noch viel Arbeit erforderlich. Genau das hat mich interessiert. Ich habe mich in diesem Zusammenhang auch mit dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans beschäftigt. Hier sehen Sie nun ein Diagramm mit den Zellen, die Berührungen erfassen. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie Tiere Berührungen empfinden - also wenn Sie ein Tier berühren, dann weicht dies zurück. Tiere, die bei der Berührung nicht zurückweichen, könnten berührungsunempfindlich sein. Auf diese Weise haben wir übrigens eine ganze Reihe von mutanten Stämmen isoliert. Nun, wir müssen da natürlich etwas vorsichtig vorgehen, da sich auch tote Tiere bei der Berührung nicht bewegen. Es gibt hier aber Differenzierungsmöglichkeiten. Im Endresultat waren wir in der Lage, eine ganze Reihe von Genen zu definieren, die Komponenten des für die Berührungsempfindlichkeit erforderlichen Komplexes kodieren. Als wir mit der Isolierung anfingen, die Gene identifizierten und ihre Produkte charakterisierten, stellte sich zunächst die Frage, welche Zelle nun für das Protein und welche Zelle für die Aktivierung des Gens zuständig ist. Zu diesem Zeitpunkt, es war so um 1989, gab es verschiedene Methoden zur Lokalisierung der Genaktivität. Man konnte das Protein über einen Antikörper identifizieren oder man setzte die Beta-Galactosidase als Reportersystem ein, um die enzymatische Reaktion durchzuführen und das Produkt zu erhalten. Darüber hinaus konnte man über In-situ-Hybridisierung herausfinden, wo die RNA aus dem aktivierten Gen gebildet wurde. Und in all diesen Fällen mussten wir zunächst das Gewebe fixieren und permeabilisieren, d.h. wir untersuchten totes Gewebe und erhielten somit nur eine Momentaufnahme. Und sobald wir das Experiment abgeschlossen hatten, mussten wir das Ganze wiederholen und den gesamten Vorgang noch einmal durchlaufen. Was ich in den zehn Jahren vor 1989 den Leuten immer über den C-elegans erzählt habe, war - das können Sie bei einem Blick auf das Bild in der Mitte wohl schon erahnen - dass dieser Fadenwurm transparent ist. Wir können ihn auf den Objektträger unter das Mikroskop legen und direkt hindurchsehen oder durch unterschiedliche Maßnahmen auch die Zellen im Tier erkennen. Ich habe also ständig betont, dass es ein transparentes Tier sei - aber das war es dann. Wir führten all diese Experimente durch, um zu sehen wo Gene exprimiert werden. Und da kam dann plötzlich so etwas wie eine Eingebung! Für mich ist eines der schönsten Beispiele für einen solchen Geistesblitz diese Situation hier in Cambridge im Jahr 1953, in der Watson und Crick kurz vor der Entdeckung des strukturellen Aufbaus der DNA aus Enttäuschung über den mangelnden Fortschritt ihrer Arbeit eine Bar besuchen und sich einen "Double Felix" bestellen. Solche Dinge sollten sich vielleicht häufiger in Bars ereignen. Nun, meine persönliche Eingebung hatte ich bei einem Vortrag von Paul Brehm, in dem er über die Arbeit von Osamu Shimomura berichtete, der morgen oder am Donnerstag hier sprechen wird. Es ging dabei zunächst um die Entdeckung von Aequorin als lichterzeugendes, biolumineszentes Molekül. Dann folgte die Entdeckung dieses außerordentlich interessanten grün fluoreszierenden Proteins GFP, welches grünes Licht im System erzeugt. Paul Brehm erläuterte dann in seinem Beitrag, dass man dieses Protein nur mit blauem oder ultraviolettem Licht anregen muss und es dann grün leuchtet. Und zum ersten Mal nach langer Zeit schlief ich während des Seminars nicht ein. Ich hörte wirklich zu und sagte mir, dass das für meine Arbeit an einem transparenten Tier einfach hervorragend war. Schon am nächsten Tag nahm ich Kontakt auf, ich hielt das für sehr vielversprechend. Ich erfuhr dann auch, dass das GFP ein ziemlich ungewöhnliches Protein ist und keinen zusätzlichen Kofaktor benötigt. Das war besonders gut, da wir dann nichts mehr hinzufügen mussten. Es musste nur die DNA dem Organismus hinzuzugefügt werden, die dann das Protein bildet und das war's. Nach dem damaligen Kenntnisstand gab es da aber leider das Peptidrückgrat und an dieser Position bildete sich bei dem reifen GFP dieser fünfgliedrige Ring. Damals wusste keiner, wie dieser Ring eigentlich entstand und die Vermutung lag nahe, dass mindestens ein Enzym oder vielleicht auch zwei, drei oder vier konvertierende Enzyme zum Bilden des endgültigen fluoreszierenden Produktes erforderlich sind. In diesem Fall wäre es kein sehr gutes bzw. nützliches Hilfsmittel. Ich habe dann die Person ausfindig gemacht, die die cDNA isoliert hatte. Es handelte sich um Douglas Prasher in Massachusetts. Ich habe mich mit ihm in Verbindung gesetzt und nach einem langen Telefongespräch haben wir entschieden, dass wir zusammenarbeiten würden. Dann haben wir aber einige Jahre nichts voneinander gehört. Ich vermutete, dass er das Klonen beendet hatte und er dachte, ich sei nicht mehr in der Forschung tätig. Nun, schließlich kamen wir wieder zusammen und entdeckten, dass wir beide nach wir vor an dem Thema interessiert waren. Auslöser hierfür war eine neue Studentin in meinem Labor, Ghia Euskirchen, die gerade ihr Masterstudium in Chemotechnik an der Fakultät für Ingenieurwesen in Columbia absolviert hatte, die sich im Gebäude direkt neben meinem Labor befand. Und sie hatte bereits im Bereich der Fluoreszenz gearbeitet. Das traf sich alles gut - wir riefen Douglas an, ließen die Zusammenarbeit wieder aufleben und erhielten dann einen Klon von ihm. Einen Monat nach dem Beginn ihres Aufbaustudiums gelang es Ghia Euskirchen dann, grün fluoreszierende E. coli-Bakterien zu erhalten. Es war einfach wundervoll, wir waren furchtbar aufgeregt, hier kann man das nicht so gut erkennen, direkt unter dem Wort "fluoreszent" - zum Einsatz des Mikroskops ... Also, unser Mikroskop war nicht sehr gut, wir konnten damit keine Fluoreszenz entdecken. Glücklicherweise hatte Ghia Euskirchen aber bereits in dem Labor in der Fakultät für Ingenieurwesen gearbeitet und wusste, dass es dort ein gutes Mikroskop gab, mit dem man die Fluoreszenz erkennen konnte. Wir haben dann das Experiment fortgesetzt, was sich ohne ein geeignetes Mikroskop etwas schwierig gestaltete. Aus diesem Grund habe ich die Vertreter von verschiedenen Mikroskopherstellern angerufen und darüber informiert, dass ich ein Mikroskop zu kaufen beabsichtige und sie um ein Vorführgerät für einige Monate gebeten. Wir haben dann alle Experimente auf den Vorführmodellen ausgeführt. Ich habe kürzlich etwas ganz Ähnliches getan, ich weiß nicht, ob ich darüber überhaupt reden sollte - nun auf jeden Fall waren wir sehr aufgeregt. Wir erkannten somit, dass wir nur noch die DNA-Kodierung für die Kodiersequenz des Proteins brauchten und das war's. Zusätzliche konvertierende Enzyme waren nicht erforderlich, nur das GFP. Schließlich brachten wir unsere Arbeit zu Papier und schickten sie an den Verlag der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Science". Ich möchte hier einige Worte zur Veröffentlichung sagen - diese erweist sich gelegentlich als außerordentlich schwierig - selbst dann, wenn man wirklich ganz begeistert von seiner Arbeit ist. Ich schickte die Studie also zur Prüfung ein - der Titel lautete "Grün fluoreszierendes Protein - ein neuer Marker für die Genexpression". Die Verleger wollten die Studie aber nicht einmal zur Prüfung weiterleiten, sie sagten, es täte ihnen leid, aber der Titel tauge überhaupt nichts. Auf mein Nachfragen wurde mir dann erklärt, dass der Titel das Wort "neu" enthalte. Es handele sich aber um ein Wissenschaftsmagazin und in der Wissenschaft sei alles neu. Aus diesem Grund solle ich den Titel ändern. Ich war etwas beleidigt und änderte dann den Titel in die lange Version und eukaryotischen Zellen keine zusätzliche exogene Komponente", das war so ungefähr der Inhalt der kompletten Studie. Über diesen Titel beschwerten sie sich dann nicht, sondern akzeptierten ihn. Die Prüfer waren sehr nett. Etwas später aber kamen sie wieder auf mich zu und meinten, der Titel sei vielleicht ein wenig lang. Wir einigten uns dann letztendlich auf "Grün fluoreszierendes Protein als Marker für die Genexpression". Das nächste Problem war dann das Titelblatt, hier habe ich die Farbe noch etwas betont - und genau das wurde dann zum eigentlichen Problem. Der Art Director rief mich an und sagte mir, dass man das Bild für das Titelblatt wirklich gut fände. Das ging mir genauso, es stellte eine wachsende Nervenzelle dar, d.h. den Wachstumskegel im lebenden Tier. Nun, er sagte, das Bild gefiele ihnen gut, aber es gäbe eine Farbe, die man grundsätzlich nicht auf dem Titelblatt verwenden wolle und das sei Grün und ob man nicht eine andere Farbe nehmen könne. Darauf antwortete ich, dass das nun überhaupt nicht ginge. Das letzte Problem mit der Veröffentlichung war dann, dass wir bereits vielen Menschen für ihre Arbeit Kopien gegeben hatten und wir auch viele bis dato nicht veröffentlichte Ergebnisse anderer aufführen wollten. Die meisten von ihnen sahen da kein Problem und sagten "Klar, macht das nur." Nur eine Person stellte sich quer - ich kann Ihnen das jetzt hier hoffentlich zeigen - das ist ein Brief von Tulle Hazelrigg, in dem sie mich auffordert, in den kommenden zwei Monaten jeden Samstagmorgen den Kaffee zu kochen, ihr ein französisches Abendessen zuzubereiten und einen Monat lang jeden Abend den Müll herauszubringen. Das ist übrigens meine Frau. Was sie dann aber tat, das war die Durchführung des nächsten wirklich wichtigen Experiments mit GFP. Ihr gelang es nämlich erstmals, das GFP mit einem anderen Protein zu verknüpfen. Sie untersuchte damit das Drosophila-Protein, das in diesen Nervenzellen entstand, anschließend in eine sich entwickelnde Drosophila-Oozyte transportiert und abgelegt wurde und dort dann liegen blieb. Man sieht das auch hier im hinteren Teil der Oozyte - und sie konnte das alles im lebenden Gewebe beobachten. Das war also ein wirklich wichtiger Schritt. Sie meint, sie sei dafür von mir nie angemessenen entschädigt worden. Zu dieser Geschichte möchte ich abschließend noch erwähnen, dass ich diese Folie bereits häufig gezeigt habe. Vor einigen Monaten ging meine Frau dann in die Apotheke bei uns im Ort, um Rezepte einzulösen. Der Apotheker fragte sie, ob sie nicht die Frau von dem Typen sei, der den Nobelpreis gewonnen hat. Sie bejahte dies und er sagte dann, dass er ihren Brief wirklich gut fand. Nun, einer der Vorteile von GFP ist, dass es erblich ist. Man kann die DNA in einen Organismus einfügen, sie wird an die nachfolgenden Organismen weitergegeben und man kann weitere Untersuchungen anstellen. Es handelt sich um eine nahezu nicht-invasive Methode, das Protein wird nur über die Einwirkung von blauem Licht aktiviert und dann achtet man auf das fluoreszierende Licht. Das bedeutet, dass wir bei diesem Verfahren in keiner Weise störend in das Leben eingreifen. Die kleinen Monomere verbreiten sich in der Zelle und zeigen deren gesamte Form, ich werde Ihnen das gleich veranschaulichen. Und es kann natürlich in lebenden Zellen eingesetzt werden, d.h. wir haben erstmals eine dynamische Ansicht auf Zellprozesse statt nur einer statischen Ansicht vom Gewebe. Hier nun einige Beispiele, es handelt sich um ein ganze Reihe von Tieren - Würmer, Drosophila, hier die Rapspflanze Canola, Mäuse, der Zebrafisch und das hier ist Alba, das für den Künstler Eduardo Kac für Kunstinstallationen entwickelte GFP-Häschen, an dem er die Wechselbeziehung zwischen Kunst und Wissenschaft veranschaulichen wollte. Dies sind einige Zellkulturen. Hier die Drosophila, die Arabidopsis und die ist eine Purkinje-Zelle. Man kann hier sehr schön erkennen, wie die einzelnen Verzweigungen der Zelle durch das darin befindliche GFP leuchten. Ich werde Ihnen noch weitere Beispiele zeigen. Lassen Sie mich an dieser Stelle aber noch betonen, dass das GFP in meinen Augen eines der schönsten Proteine der Welt ist - und ich hatte überhaupt nichts damit zu tun. Ich möchte Ihnen noch den hier verwendeten Farbkode erläutern - die Namen in Rot beziehen sich auf Mitarbeiter bei mir im Labor, Namen in Blau sind Menschen, mit denen ich kooperiert habe, und die Namen hier, die in Schwarz erscheinen, beziehen sich auf Personen, die Dinge getan haben, die ich wünschte, selbst getan zu haben. So, das hier ist die laternenförmige Struktur mit dem fluoreszierenden Zentrum direkt in der Mitte, es handelt sich um eine wirklich wunderschöne äußere Struktur. Lassen Sie mich Ihnen noch einige Hintergrundinformationen zu den beiden Filmen geben, die ich Ihnen zeigen möchte. Dies hier ist eine dieser Standarddarstellungen der Zellteilung. Ich möchte nur auf zwei Aspekte der Zellteilung eingehen, die Sie hier erkennen können. Da ist zum einen die Kernhülle, die sich natürlich auflösen muss, damit sich die Chromosomen trennen können. Während der Zellteilung ist also kein Kern vorhanden, der Kern bildet sich anschließend neu. Und zweitens sind hier die Mikrotubuli, das sind die Linien, die Sie hier sehen. Und genau diese Linien bilden den sogenannten Spindelapparat. Das kann man hier sehr gut erkennen. Ich werde Ihnen also zwei Filme zeigen, der erste zeigt das an einem Protein in dieser Spindel anhaftende GFP, d.h. Sie werden sehen, wie sich die Spindel in dem sich entwickelnden Drosophila-Embryo bildet. In diesem Fall gibt es keine Zellteilungen, es teilen sich nur die Kerne unaufhörlich. Im zweiten Film wird dann gezeigt, wo das GFP anhaftet, und zwar nicht an irgendeiner Komponente der Zelle, sondern an einem kleinen Peptid, durch das es dann in den Kern eingefügt wird. Also immer dann, wenn Kerne vorhanden sind, hat es einen Platz, wo es hingehen kann. Sind keine Kerne verfügbar, verschwindet es bzw. es verbreitet sich. Sehen Sie sich zunächst die Zellteilung hier auf der linken Seite an - beide Filme stammen übrigens von der Website der amerikanischen Gesellschaft für Zellforschung - hier erkennt man hoffentlich nicht nur, wie sich diese wunderbaren Spindeln bilden, sondern auch dass dieser Vorgang vollständig synchron verläuft. Und genau diese Synchronität wollen wir auch in lebenden Organismen sehen können. Und während das jetzt so weiter geht, sehen wir hier eine falsche Kodierung, d.h. je höher die GFP-Konzentration, umso roter erscheint das Ganze. Es ist also keine Fluoreszenzkodierung mit unterschiedlichen Farben. Nun sind alle Kerne gebildet und anschließend lösen sie sich wieder auf. Aber dieser Vorgang erfolgt wellenförmig und nicht synchron. Wir sehen hier also zwei verschiedene Aspekte der Kernteilung, d.h. zwei Prozesse, die in unterschiedlicher Weise verlaufen oder gesteuert werden. Und wir können das beobachten, indem wir verfolgen, was mit den GFP-Signalen passiert. In der Zwischenzeit ist das GFP natürlich noch entscheidend weiterentwickelt worden. Roger hat hier bereits von seiner Arbeit im Rahmen der Erzeugung anderer Farben berichtet. Dies hat dann natürlich zu weiteren Entwicklungen geführt, wie z.B. der von Joshua Sanes und Jeff Lichtman, die diese für die Kennzeichnung von Neuronen eingesetzt haben. Diese Technik wird als "Brainbow" bezeichnet. Roger hat auch über die Idee gesprochen, verschiedene Molekularmonitore für die Kalziumbildgebung zu erzeugen, sowie für - lassen Sie uns das kurz durchgehen - für die Peptidspaltung und Protein-Protein-Wechselwirkungen, wobei hierfür in erster Linie der Förster-Resonanzenergietransfer, auch FRET genannt, zur Darstellung des Zustands der Moleküle innerhalb einer lebenden Zelle angewendet wird. Die Nutzung von GFP hat sich also in einem Ausmaß ausgeweitet, das wir zu dem Zeitpunkt, als wir mit unserer Forschung daran begonnen haben, nicht annähernd erahnen konnten. GFP hat sich in meinem Labor als außerordentlich vielseitig erwiesen. Ich werde hier jetzt einmal ein Experiment durchführen, das ich nie zuvor gemacht habe - also wer von den Anwesenden hält sich für einen Biologen - bitte heben Sie die Hand und schauen Sie sich um, wer das alles ist. So jetzt behalten Sie Ihre Hand bitte oben, wenn Sie bereits in der einen oder anderen Weise mit GFP gearbeitet haben. Wie Sie sehen, hält fast jeder hier seine Hand noch hoch, es ist doch wirklich erstaunlich, wie viele Menschen bereits mit GFP gearbeitet haben, wie weit verbreitet es ist. In meinem Labor haben wir es für die Untersuchung der Genexpression eingesetzt, d.h. zur Betrachtung der Proteinlokalisation und zur Ermittlung von Mutanten. Wenn wir die Zellen kennzeichnen können, dann können wir die Tiere mutieren lassen und nach Tieren mit anomalen Zellen suchen, d.h. mit Nervenzellen, die nicht richtig wachsen, die keine korrekten Verbindungen aufweisen, usw. Wir können es auch zur Zellkennzeichnung verwenden, sodass sich diese Zellen anschließend isolieren lassen. In einer meiner beliebtesten Versuchsreihen waren wir somit in der Lage, die erste eukaryotische Übertragungszelle für Berührungen zu identifizieren. Wir hatten also eine ganze Reihe von Komponenten identifiziert, die zu diesem Kanalkomplex gehören, wie z.B. diese beiden Proteine MEC-4 und MEC-10, die unserer Meinung nach die Grundlage für den Tastsinn von Würmern darstellten. Wir mussten in diesem Rahmen elektrophysiologische Messungen durchführen. Wir konnten zwar in das Tier hineinsehen und jede Zelle erkennen - und das sind wirklich winzige Zellen... Wenn man aber eine Elektrode in das Tier steckt, würde dies explodieren, was für das Experiment nicht so zuträglich wäre. Selbst wenn man das Tier öffnet, wäre es nicht möglich die Zellen zu differenzieren, es sei denn sie wurden über das GFP gekennzeichnet und man sieht genau, wo die einzelnen Zellen sind. Dann schließlich waren wir dazu in der Lage. Ich sollte hier vielleicht noch erklären, warum Miriams Name in zwei Farben erscheint, sie fing als Post-Doktorandin an und führte dieses Projekt dann als Mitarbeiterin zu Ende. Nun, wir konnten dann über die elektrischen Messungen nachweisen, dass diese Komponenten relevant waren und es ist uns wirklich gelungen. Ich möchte an dieser Stelle nicht weiter darauf eingehen, aber wir konnten den genetischen Nachweis dafür erbringen, dass es sich hierbei um das Übertragungsmolekül handelte. Das ist eine Arbeit, auf die ich wirklich stolz bin. Da mir jetzt nur noch einige Minuten bleiben und Sie wahrscheinlich kurz vor dem Verdursten sind, werde ich nicht weiter über unsere derzeitigen Arbeiten berichten. Ich würde mich aber freuen, Ihnen davon im Rahmen der Diskussion zu erzählen. Jetzt komme ich erst einmal zu meiner letzten Folie, wobei ich auf diese Arbeiten nicht eingehen werde. Bevor ich Ihnen nun etwas über die Lehren berichte, die ich gezogen habe, möchte ich doch auf die Bedeutung der Technik als wesentlicher Motor in vielen Bereichen der Wissenschaft zu sprechen kommen. In den anderen Beiträgen haben Sie das schon gehört. Theodor Hänsch und Roger haben das sehr gut veranschaulicht. Durch die neuen Möglichkeiten, Dinge zu untersuchen, sind wir in der Lage, ganz erstaunliche Erkenntnisse zu gewinnen. Und wir haben das Glück gehabt, dass wir ständig neue "Werkzeuge" entwickeln und verwenden können. Was ich an dieser Stelle noch erwähnen möchte, das sind die folgenden Lehren, die ich für mich gezogen habe. Erstens wird wissenschaftlicher Erfolg auf ganz unterschiedlichen Wegen erreicht. Nimmt man mal uns drei Wissenschaftler, die sich den Nobelpreis teilen, wir sind ganz unterschiedliche Forscher. Osamu Shimomura ist ein unglaublich engagierter, fleißiger Biochemiker, der seine Arbeit mit Leidenschaft verfolgt, der sich in ein Problem verbeißt und nicht aufgibt bevor er sein Ziel erreicht. Roger galt bereits in der High-School als brillanter Naturwissenschaftler und gewann den Westinghouse Award. Mein Weg verlief da etwas anders, ich will nicht im Detail darauf eingehen. Nachdem ich nun diesen Preis in Chemie erhalten habe, ist es mir fast schon etwas unangenehm über meine Noten in Chemie zu sprechen. Wie dem auch sei, es gibt keinen vorgezeichneten Weg. Man muss das, was man tut, einfach mit Freude tun und daran arbeiten. Es gibt da keinen richtigen oder falschen Weg, das Wichtigste ist ganz einfach, dass man mit Engagement dabei bleibt. Zweitens hat der wissenschaftliche Fortschritt einen kumulativen Charakter. Ich war wirklich hocherfreut darüber, dass ich mir den Preis mit zwei anderen Preisträgern teile. Tatsächlich könnte ich wahrscheinlich eine ganze Reihe von Personen nennen, mit denen ich den Preis gern geteilt hätte. Letztendlich waren es Hunderte oder Tausende von Wissenschaftlern, die das GFP modifiziert und es zu dem Molekül gemacht haben, das es heute ist, die seinen Nutzen gesteigert haben. Das bedeutet, dass wir mit unseren Arbeiten jeder etwas hinzugefügt haben - dies ist ein Aspekt, der mir außerordentlich gut gefällt. Drittens sind für mich die Studenten und Post-Doktoranden die wirklichen Innovatoren. Als wir die Fachwelt darüber informierten, dass wir mit dem GFP erfolgreich waren, bin ich alle großen Entdeckungen durchgegangen. Ich erhielt dann Anrufe von Menschen, die mich um Informationen über GFP baten, da ihnen ihre Studenten oder aber ihre Post-Doktoranden davon berichtet hatten und sie sehen wollten, ob es für ihr Labor passend sei. Verbreitet wurden die Informationen also über Studenten und Post-Doktoranden. Und die gehören nach wie vor zu den wichtigsten Mitgliedern meines Laborteams. Zum Abschluss möchte ich noch zwei Dinge sagen: Zum einen, dass die Grundlagenforschung einfach von wesentlicher Bedeutung ist, dass sie als Motor der Innovation dient und Einblicke verschafft, die ihrerseits zu translationaler Forschung und Fortschritten in der Landwirtschaft und Industrie ganz allgemein führen. Wie Bob bereits gesagt hat, die Grundlagenforschung ist unabdingbar. Und dann sollten wir das Leben insgesamt untersuchen, nicht nur die Modellorganismen, die Fliegen, die Hefe, die Mäuse und den Zebrafisch. Wir sollten alles, wirklich alles betrachten. Stelle man sich nur einmal vor, was uns entgangen wäre, hätte nicht jemand die Qualle untersucht und sich der grundlegenden Frage, wie ein Organismus Licht produziert, gewidmet. Hierbei handelt es sich nicht um ein translationales Projekt, sondern vielmehr um die Untersuchung eines recht unkonventionellen Tieres, um hochinteressante und grundlegende Fragestellungen. Es gibt so noch viele dieser Fragen, die es zu stellen gilt, es gibt noch so viel zu erfahren. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Martin Chalfie (2010)

Adventures in Nontranslational Research

Martin Chalfie (2010)

Adventures in Nontranslational Research

Abstract

Summary

Professor Martin Chalfie regrets the disproportionately high funding of translational research, defined as applied research for the treatment of human diseases. With examples from the research in his lab he wants to show how important nontranslational (basic) research can be.
Chalfie’s main interest are mechanical senses, he worked on that with the nematode Caenorhabditis elegans and identified several genes involved in touch sensibility. Green fluorescent protein (GFP) proved to be an ideal marker to look for gene expression in the transparent C. elegans and find mutants. Chalfie discovered that for the production of GFP just the DNA encoding for GFP has to be added to the cells without any additional component. This non-invasive technique allows to study dynamic processes in living organisms. GFP bound to specific other proteins can be used as a marker to watch different processes within the cells. Examples are given in two films:
1.GFP attached to a protein of the mitotic spindle allows to see the synchronous building of the spindle.
2.GFP attached to a protein of the cell nucleus shows the breaking down of the nuclei in a not synchronous process.
Today, GFP is used by many scientists working on different topics as a tool to visualize molecular processes. With this technique Chalfie was able to identify the first eukaryotic transduction molecule for touch.
Chalfie points out that there is no specific way to scientific success, the most important thing for scientists is being committed. Progress in science is a cumulative process with many people involved. Basic research drives innovation leading finally to translational research and to advances in culture and industry.

Abstract

For at least the last ten years university administrators, governmental officials, and clinical researchers have increasingly called for a greater emphasis on "translational research" (research that translates findings in the laboratory into new treatments for medical conditions) over basic research in the biological sciences. Although the application of biological research to human disease (as well as toward improvements in agriculture and industry) is important, I feel that an increased emphasis is not needed and is actually detrimental. Ultimately, this emphasis is self-defeating because one needs the fruits of basic research to fuel these applications.
I will give examples from my own research developing green fluorescent protein (GFP) as a biological marker and uncovering the molecular basis of the sense of touch to argue that basic research into fundamental problems in biology is important for its own sake and, not surprisingly, for the development of various applications.

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