XNA statt DNA: Forscher erschaffen künstliche Nukleinsäuren

Sie speichert Informationen, sie vermehrt sich und bisweilen verändert sie sich auch: Das Erbgutmolekül DNA ist die Basis des Lebens auf der Erde, zusammen mit ihrer kleinen Schwester, der RNA.

Doch ein internationales Forscherteam hat jetzt im Labor künstliche Alternativen zu diesen beiden natürlichen Molekülen gebaut. Die Xeno-Nukleinsäuren, abgekürzt XNA, besitzen die wesentlichen Eigenschaften der DNA, berichtet das Team im Wissenschaftsmagazin "Science". Vitor Pinheiro vom Laboratory of Molecular Biology im britischen Cambridge und seine Kollegen aus Dänemark, Belgien und den USA bewältigten zudem eine aufwendige Fleißarbeit: Sie entwickelten quasi per Evolution im Labor eine Maschinerie von Enzymen, die anhand einer DNA-Vorlage die entsprechende XNA baut - und umgekehrt.

Ihre Arbeit ist mehr als eine molekularbiologische Fingerübung. Sie öffnet einen Weg zu praktischen Anwendungen, etwa in der Nanotechnologie oder Medizin. Zum Beispiel könnten XNA-Konstrukte Krankheitserreger markieren. Außerdem ermöglicht die Arbeit einen genaueren Blick auf die Entstehung des Lebens auf der Erde.

Brücke zwischen Biologie und Chemie

Dazu muss man wissen, was die Forscher verändert haben. DNA besteht aus drei Grundeinheiten: einem Rückgrat aus Phosphat, einer verbindenden Einheit aus einem Zuckermolekül (Desoxyribose) und aus vier verschiedenen Nukleinbasen. Die Basen können sich paarweise zusammenlagern, so dass die DNA die typische Doppelhelix formt. Die Abfolge der Basen enthält die in der DNA gespeicherte Information, den genetischen Code.

Die Forscher wollten mit XNA arbeiten, die mit den natürlichen Nukleinsäuren eine Wechselwirkung eingehen kann. Daher ließen sie das Phosphat-Rückgrat und die Basen unangetastet. Verändert war aber der Zucker. Insgesamt sechs verschiedene Nukleinsäure-Varianten präsentieren die Forscher in "Science", samt der Enzyme, die XNA zusammenbauen oder ablesen können.

"Damit ist der Beweis geglückt, dass sich Erbinformation in ein halbkünstliches System übertragen lässt", sagt der nicht an der Studie beteiligte Forscher Thomas Carell von der Ludwig-Maximilians-Universität München. "Völlig künstlich ist das System noch nicht, die Basen sind ja die gleichen. Aber es schlägt eine Brücke zwischen Biologie und Chemie."

Er nennt eine Grundmotivation dieser und ähnlicher Versuche: Bessere Erkenntnisse zu gewinnen, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. "DNA und RNA sind vergleichweise komplex", erklärt Carell. "Es wäre möglich, dass es einfachere Vorläufermoleküle gab, die ähnliche Eigenschaften hatten." Die nun veröffentlichte Studie spricht für diese These. Eindeutig beweisen lässt sie sich auf diesem Weg aber nicht.

Basis für künstliche Lebensformen?

Die Forscher nennen auch mögliche praktische Anwendungen. Sogenannte Aptamere, kurze DNA- oder RNA-Abschnitte, die je nach Beschaffenheit unterschiedliche Strukturen binden, könnte auch aus XNA gebaut werden. Aptamere sind sehr spezifisch, sie können je nach Aufbau sehr kleine Moleküle binden, aber auch an Viren oder Bakterien andocken. Sie können daher für die Analyse von Wasserproben ebenso nützlich sein wie in der medizinischen Diagnostik. Oder auch als Medikament, indem sie unerwünschte Stoffe in den Zellen binden und so blockieren.

Aptamere aus XNA hätten einen Vorteil: Sie wären deutlich robuster, weil sie von Enzymen, die die natürlichen Nukleinsäuren abbauen, nicht angegriffen werden. Außerdem sind die vorgestellten XNA im Gegensatz zur DNA sehr unempfindlich gegenüber Säure.

In einem Begleitartikel in "Science" betont Gerald Joyce vom Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla, dass die Studie den Beginn einer Ära der synthetischen Biologie einläuten könnte. "Der Aufbau von genetischen Systemen, die auf alternativen chemischen Plattformen beruhen, könnte letztlich zur Entstehung neuer Formen des Lebens führen", schreibt Joyce. Davon ist die Wissenschaft jedoch noch weit entfernt. "Das ist reine Science-Fiction", sagt Thomas Carell.