Leben: Vom genetischen Vierer- zum Sechsersystem

Die DNA kodiert sämtliche Erbinformationen in einem System, das mit vier Buchstaben arbeitet. Forschern ist es jetzt gelungen, dieses Alphabet stabil auf sechs Buchstaben zu erweitern

Das irdische Leben lagert seine Erbinformationen in einem Biomolekül, der Desoxyribonukleinsäure, für das sich inzwischen auch im Deutschen die Abkürzung DNA durchgesetzt hat. Auch wenn man inzwischen weiß, dass die DNA nicht allein für die spezifischen Eigenschaften eines Individuums verantwortlich ist, hat sie doch eine entscheidende Rolle für die Vererbung, indem sie das Potenzial definiert, aus dem dann in Abhängigkeit unter anderem von den Ablese-Mechanismen ein konkretes biologisches Wesen entsteht.

Der Code, den die DNA nutzt, besteht aus vier Buchstaben, den Nukleinbasen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (A, T, G und C). Die Basen finden sich in der Doppelhelix eines Chromosoms immer paarweise zusammen, A mit T und C mit G - ein gewiefter Trick, der die Verdopplung eines DNA-Strangs und damit die Vererbung enorm erleichtert.

Auf die Kodierung selbst hat das keinen Einfluss: Die vier Buchstaben werden in Dreiergruppen (Codons) zusammengefasst und kodieren damit eine der 20 Standard-Nukleotide (wobei eine Dreierkombination aus je vier Buchstaben 64 Möglichkeiten ergibt - nicht alle davon werden genutzt).

Informationsspeicher

Die Informationsdichte ist dabei nicht sehr hoch. So existieren im Genom auch weite Bereiche, die gar keine Funktion (mehr) zu haben scheinen. Das ist aber kein Problem, denn die Menge macht‘s: Die Erbinformation eines Menschen ist zum Beispiel in mehr als drei Milliarden Basenpaaren gespeichert.

Dabei sind wir nur im Mittelfeld, die Japanische Einbeere besitzt sogar knapp 150 Milliarden Basenpaare. Zum Vergleich: die Bibel hat gut vier Millionen Buchstaben, allerdings aus einem Vorrat von 27. Könnten diese in beliebiger Reihenfolge auftreten, läge der theoretische Informationsgehalt dieses Buches Größenordnungen über dem eines DNA-Moleküls.

An dieser Stelle horcht der Biologe auf, der sich für synthetisches Leben interessiert, um damit zum Beispiel Informationen zu speichern. Leben besitzt ja im Vergleich zu Silizium-Chips ein paar grundlegende Vorteile, wenn es um die langfristige Aufbewahrung großer Informationsmengen geht.

Der beste Beweis dafür ist der Mensch, der nach Millionen Jahren immer noch einen sehr großen Teil des Erbguts all seiner Vorfahren in sich trägt, während die ältesten erhaltenen Schriften auf ein Alter in der Größenordnung einiger Tausend Jahre kommen. Das zeigt, dass die Zellmaschinerie überraschend gute Mechanismen zur Fehlerkorrektur entwickelt hat, auch wenn ab und zu Fehler auftreten - selten bei der Vervielfältigung (Mutationen), öfter beim Ablesen der Informationen.

Die Schaffung eines halbsynthetischen Lebewesens

Mit mehr Buchstaben ließe sich die Menge speicherbarer Informationen noch deutlich erhöhen. Selbst wenn man die Kodierfunktion nicht verändert, also beim Codon aus je drei Basen bleibt, erhält man bei sechs statt vier Basenpaaren entsprechend 6 hoch 3 (216) statt 4 hoch 3 (64) mögliche Werte.

Tatsächlich befassen sich Genforscher genau damit. In den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) berichten sie von einem echten Meilenstein: Offenbar ist es einem internationalen Forscherteam gelungen, ein zusätzliches Buchstabenpaar stabil in der DNA eines Lebewesens zu verankern und damit ein halbsynthetisches Lebewesen zu schaffen.

Die neuen Buchstaben heißen dNaM und d5SICS, zwei synthetische Nucleotid-triphosphate mit der besonderen Eigenschaft, dass sie anders aneinander koppeln als A und T oder C und G und die deshalb von der Fehlerkorrektur der Zelle nicht erfasst werden. Das Einbringen dieses Paars in das Bakterium E. Coli war den Forschern bereits 2014 gelungen. Doch die so veränderten Bakterien konnten sich die neuen Informationen nicht merken und waren in ihrer Vervielfältigung gestört.

Diese Einschränkungen haben die Genforscher jetzt beseitigen können, und zwar mit schlauen Tricks. Zum einen veränderten sie das Erbgut von E. Coli derart, dass das Bakterium einen Stoff erzeugt, der ihm die Generierung der nötigen synthetischen "Buchstaben" in der bei der Zellteilung erforderlichen Menge erlaubt.

Zum zweiten stellten sie fest, dass es eine stabilere Alternative zu d5SICS gibt: das Molekül dTPT3. Und zum dritten nutzten sie den zelleigenen Reparaturmechanismus CRISPR-Cas dafür, all diejenigen DNA-Moleküle zu zerstören, die den eingebauten Zusatzcode vergessen haben. So bleibt nur DNA erhalten, die die zusätzlichen Buchstaben eingebaut hat.

Das Ergebnis feiern die Forscher als Voraussetzung, nun auch entsprechende Auslese-Algorithmen zu erfinden (vielleicht tragen wir unsere Bibliothek dann bald in der E. Coli-Population in unserem Verdauungssystem mit uns herum). Oder aber Organismen zu konstruieren, die bisher völlig unbekannte Eigenschaften besitzen. (Matthias Matting)