Martin Chalfie (2013) - Tickling Worms: Surprises From Basic Research

Research, at least my research, has never been linear. I have found that my lab and I often double back on problems after years of inactivity or go off in entirely new directions as dictated by the work and people’s interests

So if I can have the first slide with the title. I’m sort of one of these strange hybrids where I am in a biology department and got a chemistry prize. And I think that’s because they gave the prize to the molecule and not to the people. But what I want to talk about today is really some aspects of biology and what we’ve been really working on for a long time. And we’ll see how far I get. This is a new talk for me. We'll see what goes on. And before I really start I do want to thank the organisers, Countess Bettina and everyone here at the Lindau Foundation. This is my third time here and it’s always a real pleasure. It’s really terrific. So let’s start off with this strange young person sitting here playing the guitar. And in fact one of the interesting things is that, unknown to him, he’s actually using a vast number of senses while playing the guitar. And all of these senses are based on mechanical stimulation of cells. So for example there are the hair cells in the inner ear allowing him to hear. There are cells in the vestibular apparatus that allow him to detect acceleration. Balance in his body. There are tendon and muscle fibres that allow one to know about the stretch and tension on these structures. And in the skin there are a whole set, 5 different cells, that respond to touch. And this is just the beginning of the sampling of mechanical signals. Now when I started doing research as a postdoc in 1977 in Sidney Brenner’s lab, at the Laboratory of Molecular Biology, there was one thing in common among all of these senses: No one had a clue as to how they work. And in fact we’re not just beginning to understand how this major class of sensory components actually work at a molecular level. And so that’s the problem that I started with. But not with a character like that, but with this animal and working with John Sulston, who himself won a Nobel Prize in 2002. And we started looking at the sense of touch in Caenorhabditis elegans. Now C. elegans' response to touch using the 6 cells that I have shown in blue. You’ve seen a lot of very sophisticated equipment. Our sophisticated piece of equipment is an eye brow hair glued to a tooth pick. If you take that and you tickle the animals back here in what is the tail, they go forward; if you tickle them in the head they go backwards. This is a very easy assay. And we basically look for animals that are defective in that movement. We also can characterise the cells. They have some rather unusual structures, these microtubules in this big bundle, no other cells have that And simply by mutating the animals and looking in subsequent generations, we’ve been able to obtain something in the order of 500 touch and sensitive strains that we’ve used to study. The idea being the mutations help us identify the genes. Once we find the genes maybe they’ll give us some insight into what turned out to be 2 problems, because there’s 2 ways of making the animals touch-insensitive. One is to not make the cells - if the cells aren’t there to respond the animals are going to be insensitive. So some of the genes are going to be important for the development. Whereas for others the cells are going to be there, they’re going to develop perfectly normally- - they just won’t work. And those are also what we were interested in. And I guess this is in a sense my first lesson about this. It’s really good to do an experiment where more than one thing comes up for you to study. Because as you will see a lot of times experiments fail. And if you have more than one thing going on you can rely on the other aspect to do it. So we work on both the development and function of the cell. I should explain that assay a little bit. We mutate the animals and we look for animals that don’t move when we tickle them. Now you may have detected a problem with that assay because dead animals will also not move. So we actually have to make sure the animals move but don’t respond to this tickling of the hair. And there are ways of doing that. But if we look at these 6 cells, there’s a number of questions in terms of development that come up. For example how is it that we get these particular types of cells? Once the cell is made how does it maintain its identity? Because these cells are made early in the embryo, and they have to last the entire lifetime of the animal. Why is it that there’s only 6 of these cells, why not more, what restricts the number? And also there are some subtle differences. For example if you look at these cells: They have a cell body and a process that runs up towards the front. These cells also have a cell body with a process that runs up the front, but they have a posterior process as well. So how do these subtle differences in the cells arise? So these are the ideas that we were doing. And the other lesson I want to say is that not only don’t the experiments work all the time and you have to let them sit aside, but they actually take an enormous amount of time. So I want to talk a little bit about some of the things that we know about the development. So among the first set of mutants we had, which was in 1981, we had 2 mutations in 2 genes that had very unusual properties. One of them, unc-86, we thought was needed for the generation of the cells, because when it was mutant the cells were never made. The lineage, the cell divisions that would give rise to the touch sensing cells just didn’t do what they were supposed to do. So we thought this was generation. And for mec-3 it was a different phenotype. The cell was made but it didn’t differentiate at all according to the normal plan, didn’t make that extra cellular matrix or the microtubules or any of those features. So we thought this is needed for specification. And so we derived a model that said that unc-86 must regulate mec-3, which then turns on all the other stuff at the end. We were pretty happy with this. But then, 7 years later, we cloned mec-3 and found that it was the first of a whole class of transcription factors that were needed to direct cell differentiation - the first of a large class called the limb-type homeodomain family. It was the first of this class in... well, the first of this class at all. But now we know that motor neurons in all of us rely on very a similar gene for their differentiation. The next year we found that mec-3 had another property. It was not only turning on the subsequent genes - or we thought it was -, it was keeping itself on. And we could see this in subsequent experiments. We could take the promoter region of mec-3 and have it drive a reporter, beta-galactosidase or GFP, and put that into a mec-3 mutant. And it would be turned on and then immediately off. But if mec-3 was present it would keep itself on. And so it was needed for its maintenance, it was not continued. It wasn’t the case of A turning on B, turning on C; it was a case of A turning on B, then A and B seemed to turn on C and to keep B on as well. And that was because unc-86 and mec-3 made a dimer that then regulated the subsequent expression. We actually showed that about 6 years later that that was the case. And we were very happy with ourselves. We had been able to explain how the cell was made and how the differentiation could be maintained. That is until 2010, when we started doing some other experiments and isolated a whole series of messenger RNAs from the touch sensing cells, and found that there was another transcription factor, another protein that turned on gene expression that was actually a target of all of this, alr-1. And more than that, alr-1 had a very interesting feature that we had never anticipated before. And as far as we know no one else has seen this as well. If we don’t have alr-1, some of the animals have touch cells that work perfectly fine, whereas others have touch cells that don’t work at all. And the reason is this maintenance is not sufficient. In fact, we know that cells differ from each other stochastically: some will have high expression, some will have low expression. And so mec-3 is not enough to keep itself on. What alr-1 does is dampen down that stochastic expression and making it always go to the higher end of the expression; we refer to that as refinement. So you can see that over time... there’s a couple of things to see: it's that it’s taken a very long time to even get this picture of what’s going on – and I’m sure we’ll have other surprises. I can tell you also that the question of why are there only 6 cells. It’s because there’s a whole series of other transcription factors, that are also involved here, that cause other cells not to become touch-like cells. And more than that: then we’ve found other genes that cause the difference between these cells in the tail and the cells up in the head. As we continue through this we keep finding deeper and deeper layers of regulation. And the main idea here is the combinatorial aspect of this: that all of these genes are not specific for these particular cells, but are actually involved in quite a number of different cells. And it’s the combination that results in all the different types of cells. And as I showed you for this story of development... almost every talk you hear here, including what I’ve just told you, sounds like this wonderful story. We got this, then we got this, then we got this, then we got this. It’s really quite wonderful. But I hope you saw in all those dates that we didn’t get this and then get this. It had to sit for a while, usually until some technology was developed that we could actually then proceed on. It was always in the back of our mind. And I went through some of the other things that we’ve been studying over the years: the genetics and genomics; looking at the outgrowth of the nerve cells; looking at those unusual microtubules in the nerve cell; looking at that extracellular metric; looking at how the animal actually senses touch, the transduction apparatus, the circuitry. We found some mutations that affected nerve degeneration and we developed some methods along the way. And you can see that nothing is packed really together. They’re all scattered around this. Again it’s good to do a variety of different things. And along the way we found some rather interesting things. We were finally able to find the protein that seemed to direct the shape of the particular microtubules. We were able to actually show that a particular channel that we had identified was in fact the transducing apparatus, making it the first in a nerve cell to be identified, the first mechano-sensitive channel. Now there are several others that other people have suggested. We also found an unusual... that one of the channel proteins actually turns out to be a protein for which there are many similar proteins, that is a cholesterol-binding protein, and a cholesterol-binding protein in the cell membrane. And we think that has a number of implications. We were able to work out the circuitry involved in this, and I’ll say more about circuitry in a moment. That’s my little plug for GFP; that’s when the GFP paper came out, which has then been used in many of our experiments. So I want to talk about neuro-circuitry. As many of you know the Obama administration announced several months ago a really ambitious plan to map the brain, to look at the circuitry in the brain. And C. elegans is a little bit of a model system for that, because in 1986 Sidney Brenner and John White and others published this single paper. This paper - it’s a small paper, it’s only 340 pages long (laughter), and it describes the connections of every single one of the 302 nerve cells in the animal. You heard yesterday in Aaron Ciechanover’s talk that the human brain has, you know, between 10^11, 10^12 neurons. We have 302, making it a little easier. And through a really heroic effort we know all the connections as seen in the electron microscope. So we should have the circuit, we should know how it works. We haven’t a clue how it works. Let me just tell you what we found out about the touch cell. I told you touching in the tail makes the animal go forward, touching in the head makes it go backwards. And this is because the touch sensing cells gap junction to interneurons that chemically synapse on to motorneurons that are needed for the animal to go backwards. And in the tail there’s gap junctions to a different set of interneurons that go on to motorneurons that make the animal move forward. This is all very nice and if this were the only thing that was going on we would understand the circuit. But there are other aspects that we found. For example the gap junctions are excitatory, they turn on their system. But in addition, these cells also make chemical synapses to turn off the opposite system. And so does this cell. So there’s more involved in the circuit. And then the animal grows up. These cells are there at hatching. But when they become adults they’ve by that time developed 2 more cells. And they bring another part of the circuit in: inhibitory synapses onto another interneuron. So there’s 2 ways of when you touch the animal on the head of making it go backwards: touch it on the head you activate this interneuron, it goes backwards; touch it on the head, you turn off this interneuron so it can’t go forward and the net effect is for it to go backwards - sort of a double negative. So now it’s even more complicated. And then we looked at the rest of the connections made by this cell and found that there were some other aspects of what was going on. First these cells make these inhibitory synapses on the egg laying. That might make sense. You touch an animal and it wants to escape. The last thing it wants to do is lay its egg. You just get up and go. In addition, there are some sensory cells up in the head and they also receive inhibitory synapses, because these sensory cells detect texture. Mainly the bacteria that the animals love to eat. And so when they find bacteria they sort of stay put. But if you want to get out of there, you can’t have signals for the cells that are saying stay put. So we get this inhibition. Actually it’s even more complicated than this. Cathy Rankin and Bill Schafer in their labs showed that there’s actually feedback from these cells onto the touch cells. And this reminds me that I haven’t explained the colour code of the pictures and the names on the slides. So let me do this now. You may have seen that some people have their names in blue, those are people that I’ve collaborated with. People whose names are in red are people from my laboratory. And people as these, whose names are in black, did something I wish I had done. (laughter) So it also is that this touching the animal stops it from defecating. Maybe something useful for people, I don’t know. But we have no idea how that works. In addition, touching the animal stops the animal from eating. Again if you want to escape you don’t want to sit there eating your lunch, you want to get out of the area. All of these things are integrated in the circuits and in the behaviour. And in addition it turns out, a recent discovery by Maureen Barr, is that a neuropeptide is released from the touch cells; so it’s not part of the circuit that we saw in the EM at all, and it affects the way males mate. So it’s a very complicated system. And this last point points up something very interesting. We were looking at all of the physical connections among the nerve cells. But the nervous system is a little trickier than that. All nervous systems are a little trickier than that. They have peptides, neurotransmitters that they release that don’t act at the synapse, the connection between the nerve cells, but actually at a distance. And that fouls up any understanding of how the nervous system works. And trying to understand that is fairly important. So I’ll tell you a little bit about what we’ve done. As I mentioned before we have identified the channel that actually transduces touch – and I won’t go into the experiments of why this is the case. It’s a sodium selective channel. There are similar channels in us; whether they are involved in touch or not is still being investigated. But Xiaoyin Chen, a graduate student in the lab, now recently graduated, did a very interesting set of experiments. He discovered 4 ways that modulate touch. Let me just explain this for a moment. We often talk about our different senses, as if they’re completely separate from one another. But in fact they’re not, they’re all integrated together, either in our mind or at other places. So for example as you’re sitting in this room and you’re watching me talk and you’re looking at my mouth. And this is something common in movie theatres as well: the sound that you hear, your brain is telling you is coming from this position. No matter what speakers you happen to be next to, you’re looking and thinking that it’s coming from my mouth. Even though what you’re hearing is sound from a speaker. It’s an auditory illusion if you will. But it says that your visual system is modifying what your auditory system is detecting. And this is a very common feature, although not always recognised, that one sense impinges on another. And what Xiaoyin found was that there were 4 different ways of modulating touch in C. elegans, at least 4 new ways. So for example, he found that if he vibrated the plates on which the animals grew, and he did this for a long time, they actually became more sensitive. Now we knew from the past that there’s something called habituation, that if you stimulate enough times the cells no longer respond. This is the reason why if you’re wearing rings or glasses you can’t actually feel them on you until you suddenly start to want to notice them. So this habituation we knew about. What we didn’t know about is that after continued stimulation, we could get actually something going in the opposite direction: sensitisation. He also found 3 different ways to turn off or turn down touch sensitivity: growing the animals in high salt, low oxygen, or if they go into this special dormancy state called the dauer. Now all of these 4 mechanisms, all work; they all had 2 things in common. The first thing they had in common is they only affected the anterior touch cells, not the ones in the tail. And the second thing is they all took at least 2 or 3 hours to go into effect. Now when something takes a long time you start to think: maybe genes have to be turned on, transcription has to take place. We now have a pretty good idea from Xiaoyin’s work of how these work. And it’s rather complicated. And it talks about this, what I would call the shadow nervous system, the nervous system of these peptides that we don’t see in the electron microscope. So we have our channel, mec-4, in the anterior touch cells. And we found that the vibration didn’t work through this channel, but a secondary set of proteins in the membranes that make up what are called focal adhesions. And the main ones of these are the integrin proteins. So vibration activates the integrin proteins, which in turn activate this kinase. And the effect of this kinase is to turn off this transcription factor. Once off, this protein cannot be made - it’s one of these ubiquitin E3 ligases that Aaron Ciechanover talked about – and so it’s not made. And as a result of that this is not ubiquitinated. And it’s not taken from the surface, so it stays on the surface. And by staying on the surface that activates it. But this takes some time. What about all those negative things? They don’t work directly on this cell, they work on other cells. So low oxygen or the dauer state turn off this cell, preventing it from making an insulin - there are 40 insulins in C. elegans. This is the only one that affects this. When it is gone, the insulin receptor can’t be activated. This can’t be activated. Now it can’t turn this off, so this is turned on. This goes off the surface and is degraded. So we have a way of dealing with this. And that happens also with dauer. High salt works through a completely different cell, and a different insulin, and maybe some other component as well, but also feeds into this. And from this you can make a variety of predictions. One of them is that if you have low oxygen or the dauer or high salt, but you vibrate the hell out of the plates, they should become touch sensitive. And they do. Also if you activate these systems but knock out the integrins, you can also revive the touch sensitivity. And they do as well. So we think we’ve worked out this mechanism of how these various components do this. And they do it in many cases through peptides that are released from other parts of the animal. But I said this only affects the anterior of the animals. So why is that? That’s an interesting problem, why only some of the cells are affected. It’s not because only the anterior cells have these components - both cells, front and back have the components. It may be that the cells up in the head have access to these insulins and the others don't. And there may be some other things missing in this pathway in the back cells. But what’s the consequence of this? And we realise that it’s the difference between touching the animal in the head and touching it in the tail. If you touch an animal in the tail it just goes faster forward; it’s getting away from the touch. You touch it in the head it goes backwards, 180 degrees, just backing up. But then it veers off in a new angle. And as a result of that if you had a tap... so imagine dauer, they’re already starving; high salt, they don’t like that; low oxygen, they really don’t like that. They’re trying to get away from things. By turning off the anterior system they’re not going to be distracted by touch. And any tapping, any touch stimulus would just spur them on to go forward more. And we’ve tested that by putting a chemoattractant in front of animals and finding that sure enough in good conditions – lots of food, right amount of oxygen and so on - you tap the plate and they just veer off and they eventually make it here but they do so slowly. However, in poor conditions they’re not as distracted and so they’re going pretty quickly. I mentioned habituation. That turns out to be very quick, it’s not over a couple of hours. And we’ve recently found the genes that are involved in that. And to just tell you about what we have found so far: We have a receptor that responds to touch. If we have continued stimuli, the depolarisation turns on this calcium channel; it’s a voltage-gated calcium channel. It lets calcium in. And we have found that that activates this phosphatase, calcineurin, that removes the phosphate from the channel that’s put on by this protein, this kinase PKC-1. When this is removed the channel works poorly, which is the habituation. And we have a channel that also gets rid of the calcium, so we can balance this; we have the sensitisation as I’ve also said. So there’s many, many different layers of the regulation. Let me finish by saying a couple of things. First I want to give a plug for my friend Stuart Firestein and his book Ignorance, How it Drives Science. And just point out that we are woefully ignorant about what’s going on with these cells, even after 35 years or so. So some of the problems that we’re still not able to answer is, what controls process outgrowth? And we have some mutants that affected that. What causes the cell, as the animal develops, to be ensheathed by the skin of the animal? And what is the role of this ensheathment? eMalick Njie is at this meeting and so you can ask him about what his results are. But we have many other things. What are the downstream genes that cause the cells to be different? What other neuropeptides affect touch? What organises the microtubules into the bundles that they have? What in the world are the microtubules doing anyway? We have no idea. How do we get particular synapses onto those interneurons? And by some cells and not others. And we have some evidence that those synapses may change over time. What regulates that? And do the cells actually signal through other neuropeptides on to other cells. They seem to express a lot of them - we have no idea what they do. And in general, what is this shadow nervous system doing in the animal? How are all these peptides controlling it? And finally the big one, how in the world does touch work? This is going to require engineers, physicists and others to help us try to elucidate this. I want to end by having 2 quotes. One is by Sidney Brenner, which I truly love about science, which is, 'If you ask young people today what the rewards are of being a scientist, you’ll find that many people think the rewards are to win a lot of prizes and get a lot of money. Perhaps have a piece of a company, and get promoted, and have grants, and have a big group, and have all the material things. Some people want to have publications and have them in the proper journals. But really the great thing about science is that you can actually solve a problem. You can take something which is confused, a mess, and not only find a solution, but prove it’s the right one. That to me is really what should drive us. And the other things ought to be dismissed.' And finally, as I hope I’ve conveyed to you, I’ve been involved in basic research my entire life. I think it’s exceptionally important and it’s the foundation for other basic research and other applications. And so I want to quote this exchange between Senator John Pastore and Robert R. Wilson, who was the first head of the FermiLab. Pastore was trying to get the congress to fund the FermiLab and so he asked, And finally, in desperation, he says, ‘It has no value in this respect?’ At which point Robert Wilson said, It has to do with whether we are good painters, good sculptors, 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.' Thank you very much. Applause.

Kann ich bitte die erste Folie mit dem Titel haben? Ich bin einer dieser seltsamen Zwitter, weil ich in der Biologie arbeite, aber mit einem Chemiepreis ausgezeichnet worden bin. Das liegt meines Erachtens daran, dass die Auszeichnung dem Molekül verliehen wurde und nicht den Wissenschaftlern. Ich möchte aber in der Tat heute über einige biologische Aspekte sprechen und Ihnen erläutern, woran wir eigentlich so lange geforscht haben. Warten wir mal ab, wie weit ich komme. Ich habe diesen Vortrag noch nie gehalten – mal sehen, wie es läuft. Bevor ich beginne, möchte ich den Organisatoren, Gräfin Bettina und allen Mitgliedern der Lindauer Stiftung danken. Ich bin heute zum dritten Mal hier und es ist mir wie immer eine Freude. Eine wirklich tolle Veranstaltung. Beginnen wir also mit dem seltsamen jungen Mann, der hier sitzt und Gitarre spielt. Interessant ist, dass er, ohne es zu wissen, beim Gitarrespielen bereits unglaublich viele Sinne benutzt. All diese Sinne basieren auf der mechanischen Stimulation von Zellen. Da sind zum Beispiel die Haarzellen in seinem Innenohr, mit denen er hört. Mit Hilfe der Zellen in seinem Gleichgewichtsorgan kann er Beschleunigung wahrnehmen und seinen Körper in der Balance halten. Sehnen- und Muskelfasern lassen ihn spüren, wie sich diese Strukturen zusammenziehen und entspannen. In der Haut befinden sich fünf verschiedene Zellgruppen, die auf Berührung reagieren. Und das sind nur einige Beispiele für mechanische Signale. Als ich 1977 in Sidney Brenners molekularbiologischem Labor als Postdoc anfing, hatten all diese Sinne eines gemeinsam: Niemand hatte auch nur die leiseste Ahnung, wie sie funktionieren. Tatsächlich stehen wir noch ganz am Anfang, was das Verständnis der Funktion dieser wichtigen Klasse sensorischer Komponenten auf der molekularen Ebene angeht. Das war also das Problem, dem ich mich zu Beginn meiner wissenschaftlichen Tätigkeit stellen musste. Damals arbeitete ich mit John Sulston zusammen, der 2002 ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Wir begannen den Tastsinn dieses Tieres zu untersuchen: Caenorhabditis elegans oder kurz C. elegans. Dieser Wurm reagiert auf Berührung mit den sechs blau dargestellten Zellen. Wissenschaftler benutzen häufig modernste Vorrichtungen Berührt man damit das Schwanzende des Tieres, bewegt es sich vorwärts. Berührt man das Tier am Kopf, bewegt es sich rückwärts. Das ist ein ganz einfacher Test. Wir suchten insbesondere nach Tieren, bei denen diese Bewegung gestört war. Außerdem gelang es uns die Zellen zu charakterisieren. Sie besitzen eine ziemlich ungewöhnliche Struktur, nämlich in dicken Bündeln zusammengefasste Mikrotubuli. Keine andere Zelle weist so ein Merkmal auf. Dies führte uns zu der Annahme, dass diese Zellen irgendeine wichtige Funktion haben mussten. Sie verfügen über eine spezielle extrazelluläre Matrix. Indem wir die Tiere einfach mutierten und die Folgegenerationen untersuchten, erhielten wir etwa 500 tastunempfindliche Stämme, mit denen wir arbeiten konnten. Die Idee dahinter war, dass uns die Mutationen bei der Identifizierung der Gene helfen könnten. Wir dachten, dass wir mit Hilfe dieser Gene vielleicht Einblick in zwei Bereiche gewinnen könnten, die sich als Problem herausgestellt hatten – es existiert nämlich nicht nur ein Weg, die Tiere für Berührung unempfindlich zu machen. Eine Möglichkeit ist, die Zellen gar nicht erst zu bilden – wenn keine Zellen existieren, die reagieren können, wird das Tier entsprechend unempfindlich. Einige der Gene sind also für die Entwicklung von Bedeutung. Es gibt aber auch Zellen, die sich völlig normal entwickeln und dennoch nicht funktionieren. Auch für diese Zellen interessierten wir uns. Ich glaube, hier habe ich in gewisser Weise meine erste Lektion gelernt. Man sollte möglichst Experimente durchführen, aus denen sich mehrere Aspekte ergeben, die man untersuchen könnte, denn wie Sie wissen scheitern Experimente häufig. Stehen jedoch verschiedene Möglichkeiten offen, kann man die Sache von einer anderen Seite angehen. Wir erforschten also sowohl die Entwicklung als auch die Funktion der Zellen. Ich sollte das Experiment vielleicht kurz erklären. Wir mutieren die Tiere und suchen nach denjenigen Exemplaren, die sich nicht bewegen, wenn man sie kitzelt. Vielleicht können Sie sich vorstellen, welches Problem bei dieser Untersuchung auftreten könnte Wir mussten also sicherstellen, dass sich die Tiere zwar bewegen, aber nicht auf die Berührung mit dem Haar reagieren. Das stellt aber keine größere Schwierigkeit dar. Betrachtet man diese sechs Zellen, stellen sich verschiedene Fragen im Zusammenhang mit der Entwicklung. Wie entstehen z.B. diese speziellen Zelltypen? Und wie behalten sie danach ihre Identität bei? Schließlich entstehen sie zu einem frühen Zeitpunkt im Embryo und müssen während der gesamten Lebensdauer des Tieres funktionsfähig bleiben. Warum gibt es nur sechs dieser Zellen, warum nicht mehr? Wodurch wird ihre Zahl beschränkt? Außerdem gibt es feine Unterschiede. Betrachten Sie z.B. diese Zellen: Sie besitzen einen Zellkörper und einen nach vorne verlaufenden (anterioren) Fortsatz. Diese Zellen verfügen ebenfalls über einen Zellkörper mit einem solchen Fortsatz, doch sie besitzen zudem noch einen nach hinten verlaufenden (posterioren) Fortsatz. Wir entstehen diese kleinen Unterschieden zwischen den Zellen? Das waren Fragen, die uns beschäftigten. Die zweite Lektion, die ich gelernt habe, ist, dass Experimente nicht nur häufig nicht funktionieren und man sie ruhen lassen muss, sondern dass sie auch enorm zeitaufwändig sind. Ich möchte Ihnen daher ein wenig erzählen, was wir heute über die Entwicklung wissen. Unter den ersten Mutantengruppen, die wir erzeugten – das war 1981 – waren zwei Mutationen in zwei Genen, die über ganz ungewöhnliche Eigenschaften verfügten. Eines der Gene, unc-86, war unserer Meinung nach für die Bildung der Zellen notwendig, da sich diese im Falle einer Mutation gar nicht erst entwickelten. Doch die Zellteilung, die zur Entstehung der tastempfindlichen Zellen führen sollte, funktionierte einfach nicht. Dieses Gen betraf also unseres Erachtens die Entstehung. Bei mec-3 dagegen entstand ein anderer Phänotyp. Die Zelle wurde zwar gebildet, differenzierte jedoch in keiner Weise planmäßig. Sie bildete keine extrazelluläre Matrix, keine Mikrotubuli, keines dieser Merkmale. Bei diesem Gen ging es also, so unsere Vermutung, um die Spezifizierung. Also leiteten wir daraus ein Modell ab, gemäß dem unc-86 mec-3 reguliert, wodurch wiederum alle nachfolgenden Gene angeschaltet werden. Mit dieser Erklärung waren wir ziemlich glücklich. Als wir jedoch sieben Jahre später mec-3 klonierten, stellten wir fest, dass es sich dabei um den allerersten einer großen Klasse von Transkriptionsfaktoren handelt, die für die Regulierung der Zelldifferenzierung erforderlich sind – der so genannten LIM-Homöodomänen-Familie. Heute wissen wir, dass Motoneurone beim Menschen für ihre Differenzierung von einem ganz ähnlichen Gen gesteuert werden. Im Jahr darauf entdeckten wir eine weitere Eigenschaft von mec-3. Es schaltet nicht nur die nachfolgenden Gene an (das dachten wir zumindest), sondern hält sich auch selbst aufrecht. Wir konnten dies durch Experimente nachweisen, bei denen wir die Promotorregion von mec-3 ein Reportergen, z.B. Beta-Galactosidase oder GFP, antreiben ließen und dieses auf eine mec-3-Mutante übertrugen, wo es an- und sofort wieder ausgeschaltet wurde. In Gegenwart von mec-3 hielt es sich dagegen selbst aufrecht. Es war also für seine eigene Aufrechterhaltung notwendig und wurde nicht kontinuierlich exprimiert. Vier Jahre später konnten wir nachweisen, dass die Sache sogar noch komplizierter ist. Es war nämlich keineswegs so, dass A B und dieses wiederum C anschaltet Grund dafür ist, dass unc-86 und mec-3 ein Dimer bilden, das die anschließende Expression reguliert. Der Nachweis hierfür gelang uns etwa sechs Jahre später. Und wieder waren wir sehr zufrieden. Wir konnten erklären, wie die Zelle entsteht und die Differenzierung aufrechterhalten wird. Bis wir 2010 im Rahmen anderer Experimente verschiedene Messenger-RNA aus den tastempfindlichen Zellen isolierten und feststellten, dass es einen weiteren Transkriptionsfaktor gibt, der die Genexpression anschaltet; es handelt sich dabei um das Protein alr-1, eigentlich ein Zielmolekül in diesem Prozess. Doch nicht nur das, alr-1 wies ein sehr interessantes Merkmal auf, mit dem wir überhaupt nicht gerechnet hatten und das unseres Wissens nach bis dato auch sonst keinem aufgefallen war. Ohne alr-1 funktionieren die Tastzellen bei einem Tier problemlos, bei einem anderen dagegen überhaupt nicht. Der Grund hierfür ist, dass die Aufrechterhaltung alleine nicht ausreicht. Tatsächlich wissen wir, dass Zellen stochastisch voneinander abweichen, d.h. einige werden stark exprimiert, andere weniger stark. Das Vorliegen von mec-3 alleine reicht also für seine Aufrechterhaltung nicht aus. alr-1 dämpft die stochastische Expression und bewirkt, dass die Zellen grundsätzlich eher stärker exprimiert werden. Wir bezeichnen das als Verfeinerung. Im Laufe der Zeit klärte sich also Verschiedenes auf. Allein für diese Darstellung der Vorgänge brauchten wir jedoch sehr lang, und ich bin sicher, es wird noch die eine oder andere Überraschung geben. Ich kann Ihnen auch den Grund nennen, warum es nur sechs Zellen gibt: Es existiert eine ganzer Reihe weiterer an diesem Prozess beteiligter Transkriptionsfaktoren, die andere Zellen daran hindern, sich zu Tastzellen zu entwickeln. Doch das ist noch nicht alles: Wir fanden weitere Gene, die zur Differenzierung dieser Zellen in Schwanz- und Kopfzellen führen. Im Verlauf unserer Arbeit stießen wir auf immer tiefere Regulierungsebenen. Hier geht es vor allem um den kombinatorischen Aspekt; all diese Gene sind nicht spezifisch für genau diese Zellen, sondern an mehreren unterschiedlichen Zellen beteiligt. Es ist die Kombination, die zu den verschiedenen Zelltypen führt. In praktisch allen Vorträgen, die Sie hier hören, inklusive meinem, wird Ihnen eine ganz wunderbare Geschichte erzählt. Wir erhielten dieses Resultat, dann jenes und so weiter. Das klingt toll. Ich hoffe aber, dass Ihnen klar ist, dass dem keineswegs so ist. Man muss die Dinge ruhen lassen, für gewöhnlich bis eine Technologie entwickelt wird, mit der man weiterforschen kann. Doch wir hatten unsere Idee immer im Kopf. Hier sind einige weitere Themen, mit denen wir uns im Laufe der Jahre beschäftigten: Fragen zur Genetik und Genomik, zum neuronalen Auswuchs, zu den ungewöhnlichen Mikrotubuli in der Nervenzelle, zur extrazellulären Matrix, dazu, wie das Tier Berührung tatsächlich wahrnimmt, zum Transduktionsapparat und zur Verschaltung. Wir fanden Mutationen, die zu einer neuronalen Degeneration führen, und entwickelten im Verlauf neue Verfahren. Wie Sie sehen, beschäftigten wir uns mit den verschiedenen Fragestellungen nicht blockweise, sondern wandten uns ihnen immer wieder neu zu. Man muss eben immer vielseitig sein. Wir entdeckten dabei einige recht interessante Dinge, z.B. das Protein, das offensichtlich die Form dieser speziellen Mikrotubuli steuert. Außerdem konnten wir zeigen, dass es sich bei einem bestimmten Kanal, den wir identifiziert hatten, de facto um den Transduktionsapparat handelt. Dieser Kanal war der erste mechanosensitive Ionenkanal, der in einer Nervenzelle gefunden wurde. Heute kennt man noch weitere Kanäle. Wir stellten darüber hinaus fest, dass eines der vielen Proteine dieses Kanals, die sich sehr ähneln, ein Cholesterin-bindendes Protein ist, das sich in der Zellmembran befindet. Dies hat verschiedene Auswirkungen. Wir waren in der Lage, die diesbezügliche Verschaltung aufzuklären; ich werde das gleich näher erläutern. Dieses kleine grüne Rechteck steht für GFP; in diesem Jahr erschien unser GFP-Paper. Damit arbeiteten wir später in zahlreichen Experimenten. Sprechen wir also über die neuronale Verschaltung. Wie viele von Ihnen wissen, kündigte die Regierung von US-Präsident Obama vor einigen Monaten einen äußerst ambitionierten Plan zur Kartierung des Gehirns, d.h. zur Untersuchung der neuronalen Verschaltung im Gehirn an. C. elegans ist eine Art Modellsystem hierfür, da Sidney Brenner, John White und andere 1986 dieses Paper veröffentlichten in dem sie die Verknüpfungen jeder einzelnen der 302 Nervenzellen dieses Tieres beschrieben. Sie haben gestern in Aaron Ciechanovers Vortrag gehört, dass das menschliche Gehirn über etwa 10^11, 10^12 Neuronen verfügt. Unser Wurm hat nur 302, was die Sache ein wenig vereinfacht. Durch die wahrlich heroische Anstrengung meiner Kollegen kennen wir heute alle Verknüpfungen dieser 302 Nervenzellen, die man unter dem Elektronenmikroskop sehen kann. Mit der Kenntnis der Verschaltung sollten wir auch wissen, wie sie funktioniert. Wir haben aber nicht die leiseste Ahnung. Ich erzähle Ihnen, was wir über die Tastzelle herausgefunden haben. Wie erwähnt bewegt sich das Tier vorwärts, wenn man es am Schwanz berührt; berührt man es am Kopf, bewegt es sich rückwärts. Der Grund hierfür ist, dass die Tastzellen Gap Junctions zu Interneuronen und diese wiederum chemische Synapsen zu Motoneuronen ausbilden, die für die Rückwärtsbewegung des Tieres notwendig sind. Im Schwanz dagegen werden Gap Junctions zu anderen Interneuronen ausgebildet, die über die synaptische Verknüpfung mit Motoneuronen bewirken, dass sich das Tier vorwärts bewegt. Das ist alles sehr schön, und wenn das die alleinige Erklärung wäre, würden wir die Verschaltung auch verstehen. Doch wir entdeckten noch weitere Aspekte, z.B. dass die Gap Junctions exzitatorisch sind, d.h. das System anschalten, die Zellen aber gleichzeitig auch chemische Synapsen ausbilden, um das entgegengesetzte System auszuschalten – so wie diese Zelle. Die Verschaltung ist also komplizierter. Dann wächst das Tier heran. Das sind die Zellen, über die das Tier verfügt, wenn es schlüpft. Bis es erwachsen ist, haben sich zwei weitere Zellen entwickelt. Jetzt kommt ein neues Element der Verschaltung hinzu: inhibitorische Synapsen zu einem weiteren Interneuron. Berührt man das Tier am Kopf, führt dies auf zweierlei Weise dazu, dass es sich rückwärts bewegt. Einmal wird dieses Interneuron aktiviert, das Tier bewegt sich rückwärts. Gleichzeitig wird dieses Interneuron abgeschaltet, so dass sich das Tier nicht vorwärts bewegen kann. Das Endergebnis ist, dass es sich rückwärts bewegt – sozusagen eine doppelt negative Aktivierung. Es ist also alles noch komplizierter. Dann untersuchten wir die anderen Verknüpfungen dieser Zelle und entdeckten weitere an der Verschaltung beteiligte Aspekte. Zunächst bilden die Zellen während der Eiablage diese inhibitorischen Synapsen. Das leuchtet ein: Bei Berührung will das Tier fliehen. Das letzte, was es möchte, ist Eier legen. Lieber schnell auf und davon. Darüber hinaus existieren sensorische Zellen im Kopf, zu denen ebenfalls inhibitorische Synapsen ausgebildet werden, da sie Strukturen erkennen können, vor allem die von Bakterien, die sie gerne fressen. Stoßen sie also auf Bakterien, rühren sie sich nicht vom Fleck. Muss man aber fliehen, kann man keine Signale brauchen, die den Zellen sagen, dass sie sich nicht bewegen sollen. Deshalb diese Inhibition. Doch in Wirklichkeit sind die Dinge noch komplizierter. Cathy Rankin und Bill Schafer zeigten in ihrem Labor, dass diese Zellen Rückmeldungen an die Tastzellen senden. Da fällt mir ein, dass ich Ihnen den Farbcode der Abbildungen und Namen auf den Folien noch nicht erklärt habe. Lassen Sie mich das kurz nachholen. Die blauen Namen sind Leute, mit denen ich zusammengearbeitet habe. Rot steht für die Mitarbeiter meines Labors. Leute mit schwarzen Namen sind solche, die etwas erforscht haben, das ich gerne erforscht hätte. Bei Berührung hört das Tier außerdem auf zu koten. Vielleicht ist das auch für uns Menschen von Bedeutung, wer weiß. Wir haben jedenfalls keine Ahnung von der Funktionsweise. Weiterhin hört das Tier bei Berührung auch auf zu fressen. Kein Wunder – wenn man fliehen muss, will man schließlich nicht gemütlich beim Mittagessen sitzen, sondern schauen, dass man Land gewinnt. All diese Dinge sind an der neuronalen Verschaltung und dem Verhalten beteiligt. Maureen Barr stellte zudem kürzlich fest, dass die Tastzellen ein Neuropeptid freisetzen das Einfluss auf das Paarungsverhalten der Männchen hat. Das System ist also sehr kompliziert. Dieser letzte Aspekt deutet auf etwas außerordentlich Interessantes. Zwar untersuchten wir sämtliche physikalischen Verknüpfungen zwischen den Neuronen, doch das Nervensystem ist komplexer. Jedes Nervensystem ist komplexer. Es setzt Neurotransmitter in Form von Peptiden frei, die nicht direkt an den Verbindungsstellen der Nervenzellen, den Synapsen, ihre Wirkung entfalten, sondern in einem gewissen Abstand davon, und vermasselt uns damit jede Möglichkeit seine Funktionsweise zu verstehen. Dieses Verständnis ist aber ziemlich wichtig. Nun, was taten wir? Wie bereits erwähnt hatten wir den Ionenkanal identifiziert, der de facto die Berührung übermittelt Es handelt sich dabei um einen Natrium-selektiven Kanal. Der Mensch verfügt über ähnliche Kanäle; ob sie am Berührungsempfinden beteiligt sind oder nicht, wird derzeit noch erforscht. Xiaoyin Chen, ein Student in meinem Labor, der vor kurzem seinen Abschluss gemacht hat, führte eine sehr interessante Testreihe durch und entdeckte dabei vier Möglichkeiten zur Modulation des Tastsinns. Ich möchte das kurz erklären. Wir sprechen häufig von unseren verschiedenen Sinnen, als seien sie vollständig getrennt voneinander. Das ist jedoch nicht der Fall; sie werden vielmehr miteinander verknüpft, sei es im Gehirn oder an anderer Stelle. Sie z.B. sitzen gerade in diesem Raum und schauen während meines Vortrages auf meinen Mund. Dasselbe geschieht übrigens auch im Kino. Ihr Gehirn sagt Ihnen, dass das, was Sie hören, von hier kommt. Egal wer in Ihrer Nähe gerade etwas sagt, Sie sehen mich und denken, die Laute kommen aus meinem Mund, obwohl das, was Sie hören, jemand anderer sagt. Es handelt sich dabei, wenn Sie so möchten, um eine akustische Täuschung. Das bedeutet also, dass Ihr visuelles System die Wahrnehmung Ihres akustischen Systems modifiziert, also ein Sinn einen anderen beeinflusst. Das ist ein sehr häufiges Phänomen, auch wenn es uns nicht immer bewusst ist. Xiaoyin fand heraus, dass es vier Möglichkeiten gibt, den Tastsinn von C. elegans zu modulieren. Er entdeckte z.B., dass die Tiere für Berührung empfindlicher werden, wenn man die Platten, auf denen sie gezüchtet werden, über lange Zeit vibrieren lässt. Wir wussten damals bereits, dass es so etwas wie einen Gewöhnungseffekt gibt, den wir als Habituation bezeichnen, d.h. die Zellen bei zu häufiger Stimulation nicht mehr reagieren. Das ist auch der Grund dafür, dass man beim Tragen eines Rings oder einer Brille diese erst dann wieder wahrnimmt, wenn man es bewusst möchte. Dieses Phänomen kannten wir also. Was wir nicht wussten, war, dass wir bei fortgesetzter Stimulation auch genau das Gegenteil bewirken konnten, nämlich eine Sensibilisierung. Xiaoyin entdeckte weiterhin, dass man die Berührungsempfindlichkeit auf dreierlei Weise ausschalten bzw. reduzieren kann: hoher Salzgehalt der Umgebung, niedrige Sauerstoffkonzentration bzw. ein als Dauerstadium bezeichneter spezieller Ruhezustand. Alle vier Mechanismen funktionieren und haben zwei Dinge gemeinsam: Sie betreffen lediglich die Tastzellen im Kopf, nicht die im Schwanz, und sie entfalteten ihre Wirkung erst nach mindestens zwei oder drei Stunden. Dauert ein Vorgang lange, beginnt man zu überlegen, ob dafür nicht vielleicht Gene angeschaltet werden müssen, was eine Transkription zur Folge hätte. Wir kennen die Funktionsweise des Tastsinns dank der Arbeit von Xiaoyin heute relativ genau. Sie ist ziemlich kompliziert. Man kann hier von einer Art Schattennervensystem sprechen – dem Nervensystem der Peptide, das wir unter dem Elektronenmikroskop nicht sehen können. Sie erkennen hier unseren Kanal, mec-4, in den Tastzellen des Kopfes. Wir fanden jedoch heraus, dass Vibrationen nicht auf diesem Wege, sondern über eine sekundäre Gruppe von Proteinen, den so genannten fokalen Adhäsionen, in den Membranen vermittelt werden. Hier spielen vor allem die Integrine eine wichtige Rolle; diese Proteine werden durch Vibration aktiviert und aktivieren dann wiederum diese Kinase. Sie schaltet den Transkriptionsfaktor aus und verhindert so die Bildung dieses Proteins, einer der Ubiquitin-E3-Ligasen, von denen Ihnen Aaron Ciechanover berichtet hat. In der Folge wird dieses Protein, Caveolin, nicht ubiquitiniert, d.h. es verbleibt auf der Oberfläche, was die Aktivierung zur Folge hat. Dieser Vorgang dauert eine gewisse Zeit. Doch wie sieht es mit den Faktoren aus, die die Empfindlichkeit reduzieren? Sie üben ihre Wirkung nicht direkt auf diese Zelle aus, sondern auf andere Zellen. Eine niedrige Sauerstoffkonzentration oder das Dauerstadium führt dazu, dass die Zelle ausgeschaltet wird, und verhindert so die Bildung eines Insulins. C. elegans verfügt über 40 Insuline, doch nur dieses ist betroffen. Wird es nicht gebildet, kann der Insulinrezeptor nicht aktiviert werden, was bedeutet, dass die Kinase nicht aktiviert und somit der Transkriptionsfaktor nicht ausgeschaltet werden kann. In der Folge wird dieses Protein angeschaltet und Caveolin wird von der Oberfläche entfernt und abgebaut. So sieht also die Regulierung aus. Dasselbe geschieht beim Dauerstadium. Ein hoher Salzgehalt entfaltet dagegen seine Wirkung über eine andere Zelle, ein anderes Insulin und möglicherweise weitere Komponenten; der Ablauf ist jedoch schlussendlich derselbe. Davon ausgehend lassen sich verschiedene Vorhersagen treffen. Lässt man z.B. die Platten mit den Würmern bei geringer Sauerstoffkonzentration, im Dauerstadium oder bei hohem Salzgehalt stark vibrieren, sollten die Tiere für Berührung empfindlich werden. Und genau das ist der Fall. Aktiviert man diese Systeme, schaltet aber die Integrine aus, sollte sich die Tastempfindlichkeit ebenfalls verstärken. Auch das bestätigte sich. Wir denken daher, dass wir den Wirkmechanismus der verschiedenen Komponenten aufgeklärt haben. Oftmals kommen dabei in anderen Körpersystemen des Tieres freigesetzte Peptide zum Einsatz. Wie erwähnt betriff dies jedoch nur bestimmte Zellen, nämlich die im Kopf. Warum ist das so? Das ist eine interessante Frage. Der Grund dafür ist keinesfalls, dass nur die vorne gelegenen Zellen über diese Komponenten verfügen Möglicherweise haben die Zellen im Kopf aber Zugriff auf die Insuline, die Zellen im Schwanz jedoch nicht. Vielleicht fehlen aber auch andere Komponenten auf dem Signalweg in den posterioren Zellen. Doch was folgt daraus? Es geht um die unterschiedliche Reaktion des Tieres, wenn man es am Kopf bzw. am Schwanz berührt. Bei Berührung am Schwanz bewegt es sich schneller vorwärts; es versucht der Berührung zu entkommen. Berührt man es am Kopf, bewegt es sich zunächst um 180 Grad rückwärts, dreht dann jedoch in einem neuen Winkel ab. Stellen Sie sich vor, das Tier befindet sich im Dauerstadium, ist bereits am Verhungern, um es herum herrscht ein hoher Salzgehalt, das mag es nicht, oder eine niedrige Sauerstoffkonzentration, das mag es erst recht nicht. Also versucht es wegzukommen. Aufgrund der Tatsache, dass sein anteriores System ausgeschaltet ist, wird es durch die Berührung nicht abgelenkt. Jedes Klopfen auf die Platte, jeder Berührungsreiz führt jetzt nur dazu, dass es sich noch schneller vorwärts bewegt. Wir haben das getestet, indem wir dem Tier einen chemischen Lockstoff vorsetzten. Klopft man bei guten Bedingungen – ausreichend Nahrung, richtige Sauerstoffkonzentration usw. Zwar gelangt er letztendlich zu dem Lockstoff, jedoch nur langsam. Unter schlechten Bedingungen ist er dagegen nicht so abgelenkt und findet sein Ziel ziemlich rasch. Ich habe die Habituation erwähnt. Sie manifestiert sich relativ schnell, innerhalb von nur wenigen Stunden. Wir haben kürzlich die daran beteiligten Gene ermittelt. Ich möchte Ihnen erzählen, was wir bislang darüber wissen: Wir haben einen Rezeptor, der auf Berührung reagiert. Bei fortgesetzter Stimulation wird dieser spannungsgesteuerte Kalziumkanal mittels Depolarisierung angeschaltet, so dass Kalzium einströmt. Wir stellten fest, dass dies zur Aktivierung dieser Phosphatase, Calcineurin, führt. Katalysiert durch die Proteinkinase C entfernt sie das Phosphat aus dem Kanal. Die Folge ist, dass der Kanal nicht mehr richtig funktioniert – der Gewöhnungseffekt tritt ein. Zum Ausgleich existieren aber auch Kanäle, aus denen das Kalzium ausströmt; denken Sie an die Sensibilisierung. Die Regulierung ist also unglaublich vielschichtig. Zum Schluss möchte ich noch ein paar Dinge sagen. Zunächst möchte ich meinen Freund Stuart Firestein und sein Buch dass wir bezüglich der Vorgänge in diesen Zellen auch nach 35 Jahren noch bedauernswert unwissend sind. So können wir z.B. noch immer nicht beantworten, wodurch das Auswachsen der Zellfortsätze gesteuert wird. Es liegen aber Mutanten vor, die darauf Einfluss haben. Was führt dazu, dass die Zellen im Laufe der Entwicklung des Tieres von Haut umschlossen werden? Welche Rolle spielt dieser Vorgang? Fragen Sie eMalick Njie, zu welchen Ergebnissen er diesbezüglich gekommen ist; er ist auch auf dieser Tagung. Es gibt aber noch viele weitere Aspekte. Welche nachgeschalteten Gene bewirken, dass sich die Zellen unterscheiden? Welche anderen Neuropeptide haben Auswirkungen auf den Tastsinn? Auf welche Weise erfolgt die bündelweise Anordnung der Mikrotubuli? Was in Gottes Namen machen die Miktotubuli überhaupt? Wir haben keine Ahnung. Wie entstehen bestimmte Synapsen zu den Interneuronen und warum werden sie nur von manchen Zellen gebildet und von anderen nicht? Es gibt Hinweise dafür, dass sich diese Synapsen im Laufe der Zeit verändern. Wodurch wird dieser Vorgang reguliert? Kommunizieren die Zellen tatsächlich über andere Neuropeptide mit anderen Zellen? Sie setzen ziemlich viele davon frei – ihre Funktion ist uns aber völlig unbekannt. Welche Aufgabe hat, ganz allgemein gesehen, das Schattennervensystem bei Tieren? Wie wird es durch all diese Peptide gesteuert? Und schließlich die eine große Frage: Wie funktioniert der Tastsinn? Um darauf eine Antwort zu finden, benötigen wir die Hilfe von Ingenieuren, Physikern und anderen Experten. Ich möchte zum Schluss noch zwei Zitate anbringen. Das eine, zum Thema Wissenschaft, das mir sehr gefällt, stammt von Sidney Brenner. dass es dabei um hohe Auszeichnungen und viel Geld geht. Man wird vielleicht Anteilseigner einer Firma, wird befördert, erhält Zuschüsse oder leitet eine große Arbeitsgruppe, all diese materiellen Dinge. Manche möchten ihre Paper in renommierten Journals veröffentlichen. Doch das wirklich Großartige an der Wissenschaft ist, dass man ein Problem lösen kann. Man hat ein verworrenes Chaos vor sich und findet nicht nur eine Lösung, sondern kann auch noch beweisen, dass sie richtig ist. Meiner Ansicht nach ist es das, was uns antreiben sollte. Alles andere ist unwichtig.' Schließlich möchte ich daran erinnern, dass ich mein ganzes Leben lang in der Grundlagenforschung tätig war und sie für ausgesprochen wichtig halte. Sie ist die Basis für jegliche Forschung einschließlich der angewandten Wissenschaften. Ich hoffe, ich konnte Ihnen das heute vermitteln. Ich möchte daher den folgenden Gedankenaustausch zwischen Senator John Pastore und Robert R. Wilson, dem ersten Leiter von Fermilab zitieren. Pastore versuchte den Kongress zur Finanzierung von Fermilab zu bewegen und fragte Wilson daher: in irgendeiner Weise die Sicherheit unseres Landes?’ (Das Gespräch fand während des Vietnamkrieges statt.) Wilson: ‘Nein Sir, das glaube ich nicht.’ Schließlich meinte Pastore völlig verzweifelt: woraufhin Robert Wilson antwortete: ‘Es hat etwas mit dem Respekt zu tun, mit dem wir einander begegnen, der Würde des Menschen, unserer Liebe zur Kultur. Es geht darum, dass wir gute Maler, gute Bildhauer, große Dichter sind Es hat nichts mit der Verteidigung unseres Landes zu tun, doch es macht unser Land verteidigenswert.' Vielen Dank.

Martin Chalfie (2013)

Tickling Worms: Surprises From Basic Research

Martin Chalfie (2013)

Tickling Worms: Surprises From Basic Research

Abstract

Research, at least my research, has never been linear. I have found that my lab and I often double back on problems after years of inactivity or go off in entirely new directions as dictated by the work and people’s interests. This lack of direction results, at least in part, from the fact that I am a geneticist and mutants have an annoying, yet wonderful, habit of leading one into new areas of study. I will describe how a simple assay to look for mutants in the nematode Caenorhabditis elegans that are insensitive to touch (stroking animals with an eyebrow hair glued to a toothpick) led me and my lab to investigate problems in cell determination, cell differentiation, mechanosensory transduction and modulation, and neural circuitry and the integration of sensory signals. Along the way, these studies resulted in the introduction of Green Fluorescent Protein (GFP) as a biological marker, several other methods, and maybe even some insights into a few human diseases. Although we actually have answered some of the questions we set out to study, the excursions far from what I thought I was studying have often been the most exciting.

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