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• Text: Steffan Heuer
• Foto: Henning Bock

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Das Leben verstehen

Direkt vor dem dreistöckigen, mit roten Ziegeln verblendeten Gebäude liegt eine alte Schiffswerft am Lake Union. Eine aufs Trockene gezogene Passagierfahre rostet vor sich hin, Handwerker schweißen an alten Lastkähnen herum. An klaren Tagen ist dahinter die Skyline von Seattle zu erkennen - Stalagmiten aus Glas, Edelstahl und Beton, die den Aufstieg der Stadt am Pazifik zum Zentrum für Software und Biotechnologie versinnbildlichen.

Für das Team aus 180 Biologen, Ärzten, Chemikern, Computerwissenschaftlern, Ingenieuren, Physikern und Labortechnikern, die am neuen privaten Institut für Systembiologie des Leroy Hood arbeiten, ist diese - Aussicht Programm. "Erst müssen wir uns die Hände schmutzig machen wie auf der Werft", sagt Nathan Goodman, ein Computerexperte, bei einem Rundgang durch das lichtdurchflutete Gebäude. "Der Erfolg liegt in der Zukunft, die Skyline ist die Hightech-Vision."

Sein Ziel: das System Mensch verstehen, mögliche Störungen frühzeitig erkennen und verhindern

Leroy Hood allerdings ist kein geduldiger Wissenschaftler auf dem Weg von der Werft zum Wolkenkratzer. Den 65-Jährigen treiben Unternehmergeist an und Visionen der personalisierten medizinischen Vorhersage und Vorsorge. Im Laufe seiner Karriere hat er ohne langes Zögern die Universität gewechselt, wenn sie seinen ehrgeizigen Plänen im Wege stand, hat nebenbei neue Techniken erfunden und Firmen in Serie aus dem Labor gestampft.

Am Human Genome Project arbeitete er von 1990 an als einer der führenden Wissenschaftler. Doch noch bevor das Erbgut komplett entschlüsselt war, bastelte der Bergsteiger und Läufer bereits an seinem nächsten Projekt. Ein Institut für Systembiologie (ISB), das verschiedene Disziplinen, Technologien und Fragestellungen bündelt. Das Ziel: komplexe lebende Systeme so zu erforschen, dass sie sich mathematisch darstellen lassen. Sei es eine Zelle, ein Stoffwechselkreislauf oder ein molekularer Pfad, der von einem aktivierten Gen über Proteine bis zu einer Krankheit führt. Ein Tropfen Blut auf einen Chip geben - und Hoods Technik soll die Schleier vor der Schöpfung lüften.

Statt die Einzelteile in gigantischen Datenbanken aufzulisten, wie in der Genomik bisher üblich, will der Molekularbiologe die Mechanismen erklären, die die Rädchen, Schrauben und Kolben im Motor des Lebens in Schwung setzen, im Einklang halten oder aus der Ordnung bringen. Da die Universität von Washington in Seattle ihm dafür nicht das Personal und die erforderliche Infrastruktur bereitstellen wollte, verließ Hood sie vor drei Jahren und gründete mit zwei Forschem ein völlig neues Institut. Rund 20 Fachleute nahm er mit ans Ufer des Lake Union.

"Was wir hier auf den Gebieten der Biologie und Medizin versuchen, ist völlig anders als alle Wissenschaft, die in den vergangenen 20 bis 30 Jahren betrieben wurde", so Hood vollmundig. "Wir wollen mit Daten aus allen relevanten Disziplinen ein System entwickeln, bei dem wir jede Störung vorhersagen können. Besser noch: Wir wollen in der Lage sein, Teile des Systems zu ändern und zu beobachten, welche neue Eigenschaften entstehen." Besagtes System basiert in erster Linie auf dem menschlichen Körper, dessen Bausteine nach und nach katalogisiert werden, aber deren Zusammenspiel auf molekularer Ebene noch ein unverstandenes Puzzle ist.

"Bald werden wir aus dem Genom das Geheimnis des Lebens entziffern", sagt Hood bei einem Gespräch in seinem spartanisch eingerichteten Büro mit Blick auf den Parkplatz hinter dem Institut. Er ist klein, durchtrainiert, braungebrannt und scheint immer unter Spannung zu stehen. Unter den buschigen Augenbrauen funkelt ein ungeduldiger Blick. Wenn Hood spricht, beginnt er jeden Satz mit "So, ...". Das gibt ihm Zeit, seinen überbordenden Gedankenfluss zu ordnen.

Hood vergleicht Systembiologie mit der Arbeit eines Automechanikers. Man kann den Motor, das Getriebe und selbst die Steuerungselektronik auseinander nehmen, die einzelnen Bestandteile erfassen und ihre Funktion anhand beobachteter Fahreigenschaften erklären. Aus dieser Erkundungsphase - ähnlich der Sequenzierung des Erbguts eines Organismus - können Experten Modelle ableiten, die versuchen, das Zusammenwirken der Teile zu erklären. Doch alle Schwierigkeiten und Pannen, die bei der Fahrt auftreten, kann auch ein solches Modell nicht vorhersagen. Dazu sind ständige Wiederholungen des Diagnose-Vorgangs nötig. Jeder neue Datensatz einer Testfahrt muss in das mathematische Modell einfließen, die Formeln müssen verändert werden, bis am Ende hoffentlich ein lebensnahes System herauskommt, das sich am Computer simulieren lässt.

Sein Mittel: die Bündelung von Geist, Technik und Geld in selbstgegründeten Unternehmen

Das Genomprojekt und die dabei in den vergangenen 20 Jahren entwickelten Werkzeuge hätten diese Aufgabe etwas erleichtert, sagt Hood. Aber die Datenmenge sei immer noch überwältigend und das Wissen um die Entstehung der gefährlichsten Krankheiten - Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Infektionen -niederschmetternd gering. "Biologie ist eine Informationswissenschaft geworden. Dem kommt man nur bei, wenn man Wissen und Daten über die Grenzen von Fachbereichen austauscht, bündelt und gemeinsam interpretiert."

Beispiel Genom: Der digitale Quellcode des Menschen besteht aus 30 000 Genen, kodiert in Paaren aus vier verschiedenen Desoxyribonukleinsäuren oder DNS. Im Schnitt unterscheidet sich jeder 500. Buchstabe im DNS-Code eines Menschen von dem seiner Mitmenschen. Einige wenige dieser rund sechs Millionen Variationen sind verantwortlich für körperliche Eigenschaften und die Entstehung von Krankheiten. An der Identifizierung einzelner Gene, vom Brustkrebs bis zur Schizophrenie, forschen Life-Science-Firmen seit Jahren mit unterschiedlichem Erfolg. Denn das Zusammenspiel mehrerer Gene und hunderter oder tausender Proteine, die nach den genetischen Informationen gebildet oder gehemmt werden, erfordert Messvorrichtungen und Datenverarbeitungskapazitäten, die es gegenwärtig noch gar nicht gibt. "Wir müssen die Zukunft erfinden", sagt Hood mit einem optimistischen Grinsen. Er hat maßgeblich dazu beigetragen, einen Großteil der heute auf dem Markt befindlichen Biotech-Werkzeuge überhaupt zu konstruieren.

Ende der siebziger Jahre entwickelte Hood als Biologe am renommierten California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena den ersten Protein-Sequenzierer. Als ihm ein Bekannter dazu riet, das neuartige Gerät auf den Markt zu bringen, klapperte Hood insgesamt 19 Firmen ab und präsentierte ihnen seinen Prototypen sowie Ideen für drei weitere Geräte: einen DNS-Sequenzierer, einen DNS-Synthesizer und einen Protein-Synthesizer. Mit ihnen lassen sich die Bausteine des Lebens untersuchen und zur genaueren Analyse in großen Mengen herstellen.

Als keiner der etablierten Hersteller Interesse zeigte, machte sich Hood mit ein paar Kollegen 1981 selbstständig und gründete Applied Biosystems. Zwölf Jahre später erkannte die Branche die Weitsichtigkeit des Ingenieursohns aus Montana, und Applied Biosystems fusionierte mit Perkin Elmer. Hoods DNS-Maschine wurde rasch weltweit zum Standard. Seine DNS-Sequenzierer machten das Genomprojekt erst möglich, urteilt der Wissenschaftsjournalist Edward Regis, der ein Buch über die Verschmelzung von Informationstechnologie mit Life Sciences geschrieben hat.

Applied Biosystems war Hoods erster Streich, der ihn schnell reich machte. Seither war der Forscher an der Gründung von knapp einem Dutzend weiterer Firmen beteiligt, von Amgen über Rosetta bis zu Darwin. Alle sind entweder von großen Firmen wie Merck aufgekauft worden oder haben sich an Markt und Börse bewährt. "Unternehmertum ist eine der vier Kernaufgaben eines guten Wissenschaftlers", sagt Hood. "Wenn man solide Forschung betreibt, ergeben sich die Chancen zur Kommerzialisierung automatisch." Er sieht die Ausgründung neuer Biotech-Firmen als Wissenstransfer in die Gesellschaft.

Sein Institut betreibt Hood mit der Mentalität eines Gründers, der erstklassige Beziehungen hat und deshalb rasch Geld für neue Projekte auftreiben kann. Als ihm Caltech Anfang der neunziger Jahre keine Unterstützung für eine neue Abteilung für molekulare Biotechnologie gewähren wollte, sah sich Hood anderweitig um und zog mit seinem Team 1992 an die Universität von Washington in Seattle, die ihn seine Wunsch-Abteilung einrichten ließ. Nach wenigen Jahren wurde es ihm auch dort zu eng. "Akademische Abteilungen sind dem Silo-Denken verhaftet, da passiert zu wenig Interaktion zwischen den Disziplinen", sagt Leroy Hood rückblickend. Er hatte bereits ein eigenes Institut für Systembiologie vor Augen. Im Januar 2000 wagten Hood und seine Partner den Sprung in die Unabhängigkeit.

"Es war keine leichte Entscheidung, aber wir hatten keine andere Wahl", erinnert sich Mitbegründer Ruedi Aebersold. Der gebürtige Schweizer kannte Hood bereits aus Caltech-Zeiten und gilt als Pionier der Proteomik, die sich der Erforschung der Proteinfunktionen widmet. Das Trio aus Hood, Aebersold und dem Zellbiologen Alan Aderem mietete ein leer stehendes Gebäude an, in das ursprünglich Dotcoms hatten einziehen sollen. Innerhalb von drei Jahren wuchs die Belegschaft auf 180 Mitarbeiter. Die Hälfte sind klassische Biologen, ein Viertel Computerexperten und ein weiteres Viertel " High-Through-Put-Biologen", die sich der Forschung mit extrem hohem Datendurchsatz verschrieben haben.

Aebersolds Proteomik-Gruppe ist einer der Kernbestandteile des Instituts. Die Methode, mit einem Massen-Spektrometer individuelle Moleküle zu messen, ist nicht neu. Aebersolds Spezialität ist es, mit dieser Technologie Proteine in einer Zelle zu verfolgen, die aus dem Gleichgewichtszustand gebracht oder gestört wird. "Wir wollen funktionelle Fragen beantworten: Wie verhalten sich Proteine in einer Zelle oder im Körper als Sensoren, als Effektoren, als Übermittler oder als Katalysatoren? Um das Ganze wirklich zu verstehen, muss man alle an einem Vorgang beteiligten Proteine messen. Mit anderen Worten: Diese Arbeit ist eine nie endende Aufgabe."

Es erleichtert die Vorstellung, wenn man das System Zelle als Bücherei betrachtet. Aus dem Genomprojekt wissen Forscher ziemlich genau, welche Bücher in welchen Regalen stehen. Diese Information ist jedoch statisch, denn Gene und Proteine sind wie Bibliothek-Besucher, die Bande ausleihen, lesen, in Teilen kopieren und möglicherweise in andere Regale zurückstellen. Wer verstehen will, wer wann welche Texte liest und danach handelt, muss Überwachungskameras installieren, die jeden Raum in Echtzeit kontrollieren. "Die Protcomik kann heute nur Schnappschüsse machen, für Videomitschnitte reicht die Technik noch nicht" , sagt Aebersold.

Die Forscher, die Zellproben durch die Batterie an Massenspektrometem im Erdgeschoss des ISB jagen, versuchen so viele Schnappschüsse wie möglich anzufertigen - je nach Fragestellung im Abstand von Minuten, Stunden oder Tagen. "Wir brauchen mehr Einzelaufnahmen der ablaufenden Prozesse", erklärt Nathan Goodman, der an Datenbanken zu Diabetes und der Huntington-Krankheit arbeitet. "In der Regel sollte die Aufnahmedichte doppelt so hoch sein wie die schnellste Reaktionsrate des Prozesses, nach dem wir suchen." Wenn man davon ausgeht, dass es ungefähr eine halbe Stunde dauert, bis ein stimuliertes Gen aktiv wird, mittels Boten-RNS ein weiteres aktiviert und so eine Kettenreaktion in Gang setzt, muss Aebersolds Team alle 15 Minuten eine Probe analysieren. Bei solchen Intervallen können den Forschem eine Menge Aktivitäten im Leseraum der Zell-Bibliothek entgehen, die erklären, wie Proteine etwa eine Zelle zur Tumorzelle verwandeln. Zudem setzt die Technik bei der Zahl der verfolgten Proteine Grenzen. Allerdings ist es nur eine Frage der Zeit, bis sich das ändert, sind sich Aebersold und Hood sicher. Den Gründern schwebt ein Nanolab vor, das die Kraft von 1000 Labors auf einem Chip vereinigt.

"Das Institut ist bereits ein Erfolg, egal, welche Kriterien man anlegt", sagt Aebersold. Neben der in nur drei Jahren gewachsenen Belegschaft, zu der acht Professoren aus sieben Ländern gehören, verweist er auf das bequeme Finanzierungspolster von rund 120 bis 140 Millionen Dollar, die die US-Regierung, öffentliche Förderprogramme für spezifische Projekte sowie private Spender und Unternehmen beigesteuert haben - darunter die National Institutes of Health (NIH), die Firmen Merck und IBM und der ehemalige Junk-Bond-König Michael Milken, der sich dem Kampf gegen Prostatakrebs verschrieben hat.

Zudem kann Aebersold eine Liste erster Forschungsergebnisse herunterbeten, die sich langsam Hoods Vision der personalisierten medizinischen Vorhersage und Vorsorge annähern. "Wir haben mit unserem Systemansatz Ergebnisse auf Gebieten vorzuweisen, die alle seit Jahren oder Jahrzehnten intensiv beforscht werden, ohne dass diese Zusammenhänge erkannt wurden." Sein Team konnte beispielsweise nachweisen, dass von mehr als tausend verschiedenen Proteinen in einer Zelle eine ganze Reihe von einem seit langem bekannten, Krebs auslösenden Onkogen namens MYC beeinflusst werden. Ebenso wies sein Team bei zystischer Fibrose nach, dass Bakterien die Anwesenheit anderer Bakterien spüren und sich auf kollektives Handeln verständigen können - eine Art Netzwerk-Intelligenz, die als neue Eigenschaft eines Systems entsteht, wenn genügend Teilnehmer miteinander verbunden sind.

Vom Verständnis einzelner Prozesse bis zum Verständnis eines komplexen Systems, das ein Arzt auf dem PC durchspielen kann, ist es aber noch ein weiter Weg. Stuart Kauffman, ein Biologe und Systemtheoretiker, der jahrelang am Santa Fe Institute das Zusammenspiel von Genen und Proteinen studierte und simulierte, sieht die Wissenschaft gegenwärtig noch in der Phase der massiven parallelen Datensammlerei stecken. "Wir ringen in all diesen Experimenten immer noch damit, die Regeln zu verstehen, nach denen Gene oder Proteine interagieren. Erst wenn wir Struktur und Dynamik von genetischen Netzwerken und Signal-Netzwerken innerhalb einer Zelle kombinieren können, besitzen wir ein zusammenhängendes Bild."

Für Leroy Hood ist die Technik für ein solches umfassendes Bild vom Menschen noch 10 bis 15 Jahre entfernt. "Wir werden in der Lage sein, das vollständige Erbgut von jeder Person für weniger als 1000 Dollar zu erfassen und zu analysieren. Daraus kann man die Wahrscheinlichkeit gesundheitlicher Risiken berechnen. Das ist Prognose-Medizin, die die Lebenserwartung um bis zu 30 Jahre verlängern wird." Wer etwa nach seinem System-Check mit hoher Wahrscheinlichkeit ab 55 mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu rechnen habe, könne bereits ab 40 für sein DNS-Profil maßgeschneiderte Medikamente nehmen.

Konkurrenz? Stört ihn nicht, Leroy Hood sucht Partner in aller Welt

Hood will selbstverständlich auch der Erste sein, der die Früchte seiner Forschungen am ISB zu einer Analyse-Software bündelt, die das Ballett von 30000 Genen und geschätzten 300000 Proteinen auf dem Bildschirm darstellt. Vom Genomik-Pionier aufgescheucht, haben allein in den USA bereits acht Universitäten die Gründung eigener Institute für Systembiologie angekündigt. "Die vielen Nachahmer beweisen, dass wir auf dem richtigen Weg sind", sagt Proteomik-Experte Aebersold.

Er wird die Vision nach Europa tragen, wenn er demnächst eine Professur an der Eidgenössisch-Technischen Hochschule (ETH) in Zürich antritt. Die Spitzen-Universität denkt darüber nach, ein eigenes Institut für Systembiologie in Basel einzurichten, wo es im Schatten der Pharma-Riesen Novartis und Roche bereits ein Biozentrum gibt. Für den Institutsgründer Hood ist der Multiplikatoreffekt so wichtig, dass er seinen Kollegen gern ziehen lässt: "Im Grunde meines Herzens bin ich ein Missionar. Ich möchte Partnerschaften mit zwei, drei Instituten in Europa einrichten." Ins Auge gefasst hat Hood auch das Pasteur-Institut in Paris und das Karolinska-Institut in Stockholm. In Okinawa berät er die Regierung bei der Einrichtung eines Institutes für Systembiologie, und im kommenden Jahr will er die Möglichkeiten für eine Tochtereinrichtung in Brasilien ausloten.

Hood wäre nicht Hood, wenn er nicht bereits das wohlfinanzierte Rahmenwerk für die nächste Runde von Biotech-Start-ups gelegt hätte. Auf der anderen Seite des Lake Union wurde Anfang Oktober ein fünfstöckiger Neubau eröffnet, der die von Hood mitbegründete Accelerator Corp. beherbergt. Ähnlich einem Inkubator hat sich das ISB mit den drei großen Venture-Capital-Firmen MPM Capital, Arch Venture Partners und Versant Ventures sowie dem Immobilienfonds Alexandria Real Estate Equities zusammengetan. Letztere Firma kaufte das ganze Gebäude und stellt Accelerator ein Stockwerk mit knapp 2000 Quadratmetern Fläche günstig zur Verfügung. Herr über die bislang noch aseptisch leeren Labor- und Bürosuiten für acht Startups ist Carl Weissman, der Sohn des Stanford-Professors für Entwicklungsbiologie (und alten Hood-Freundes) Irving Weissman.

Sein Vorteil: Er ist Wissenschaftler und Unternehmer. Und außerordentlich überzeugend

"Wir haben 15 Millionen Dollar an Start- und Betriebskapital für die ersten drei Jahre", sagt Weissman junior bei einem Gang durch leere Labors, in denen Hoods Ideen zu IPO-reifen Firmen herangezüchtet werden sollen. Drei Start-ups sind seit dem Start des Instituts bereits ausgegründet worden, weitere werden am östlichen Seeufer einziehen. Weissman sagt: "Alles, was Leroy anfasst, verwandelt sich in Gold. Er ist einer von vier Personen im Verwaltungsrat von Accelerator. Was er für Erfolg versprechend hält, wird gefördert. Leroy Hood ist der Magnet, der gute Ideen anzieht." Der Inkubator kümmert sich um Geschäftsplan, Management und die Einhaltung der Meilensteine, sodass die Wissenschaftler sich ganz ihrer Arbeit im Labor und am Institut widmen können. Bis zur ersten großen Finanzierungsrunde in einem bis anderthalb Jahren haben die drei Venture-Capital-Firmen genügend Zeit für sorgfältige Analysen der Marktpotenziale. Hoods Institut erhält ebenfalls Anteile, aus denen im Laufe der kommenden 15 Jahre eine ansehnliche Stiftung werden soll, um von Fördermitteln unabhängig zu sein. Das Konsortium nehme ihm die Arbeit ab, für Neugründungen Geld aufzutreiben, und beschleunige die Kommerzialisierung, sagt der ungeduldige Meister Leroy Hood. "Ich habe keine Zweifel, dass wir neue Firmen ausgründen werden, das ist die natürlichste Sache der Welt."