Erbgut-Experiment: Forscher erschaffen künstliche DNA-Alternativen

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Das Erbgutmolekül DNA bildet die Basis des Lebens. Im Labor haben Forscher jetzt ihre Information auf künstliche Moleküle übertragen. Das Experiment gibt einen Hinweis darauf, wie das Leben auf der Erde entstand - und könnte auch praktische Anwendungen für die Medizin liefern.

DNA-Doppelhelix (Modell): Bauplan des Lebens Zur Großansicht
AFP

DNA-Doppelhelix (Modell): Bauplan des Lebens

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.

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1. Hybritwelt
danduin 19.04.2012
Zitat von sysopDas Erbgutmolekül DNA bildet die Basis des Lebens. Im Labor haben Forscher jetzt ihre Information auf künstliche Moleküle übertragen. Das Experiment gibt einen Hinweis darauf, wie das Leben auf der Erde entstand - und könnte auch praktische Anwendungen für die Medizin liefern. Erbgut-Experiment: Forscher erschaffen künstliche DNA-Alternativen - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,828479,00.html)
Irgendwann werden wir wohl auch Lebewesen bauen, die für uns agieren wie Maschinen. Ein Problem wird jedoch bei XNA sein, dass dieser sich irgendwann mit DNA aus der Umwelt vermischt. Was dann kommt, davor graut es einem.
2. .
TS_Alien 19.04.2012
Zitat von sysopDas Erbgutmolekül DNA bildet die Basis des Lebens. Im Labor haben Forscher jetzt ihre Information auf künstliche Moleküle übertragen. Das Experiment gibt einen Hinweis darauf, wie das Leben auf der Erde entstand - und könnte auch praktische Anwendungen für die Medizin liefern. Erbgut-Experiment: Forscher erschaffen künstliche DNA-Alternativen - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,828479,00.html)
In diesem Fachgebiet arbeiten mir zu viele Forscher, die alles machen, was möglich ist, was Geld verspricht (wenn die Pharmaindustrie beteiligt ist, dann ist das offensichtlich) und die Risiken ausblenden oder herunterspielen. Das kann gewaltig nach hinten losgehen. Man hat bis jetzt noch nicht einmal die Bedeutung und die Zusammenhänge der DNA-Sequenzen der allermeisten Lebewesen verstanden und bastelt dennoch wild an deren DNA herum. Rein von der Wahrscheinlichkeitsrechnung wird das gewaltig nach hinten losgehen.
3. nun, unsere computergrundeinheit ...
blitzunddonner 19.04.2012
... kann zwei zustände annehmen. null und eins. die kleinste grundeinheit der dna immerhin schon vier. das ist zwar ein riesenunterschied in puncto speicherkapazität (wiki sagt, dass ein gramm getrocknete dna vorher mal informationen von 1 billion cds in sich trug), aber technisch ist der ansatz irgendwie dann doch sehr verwandt. meine these war es immer schon, dass die nächste echte revolution im it-bereich dann kommt, wenn wir speicherzellen mit 3 statt mit 2 zuständen haben und gelernt haben, darum herum computer zu bauen, die diesen enormen kapazitätszuwachs auch ausnutzen können. ich war mir nicht sicher, ob das noch zu meinen lebzeiten eintreten könnte. seit dieser nachricht könnte das jedoch doch noch sein.
4.
gugugy 19.04.2012
Zitat von sysopDas Erbgutmolekül DNA bildet die Basis des Lebens. Im Labor haben Forscher jetzt ihre Information auf künstliche Moleküle übertragen. Das Experiment gibt einen Hinweis darauf, wie das Leben auf der Erde entstand - und könnte auch praktische Anwendungen für die Medizin liefern. Erbgut-Experiment: Forscher erschaffen künstliche DNA-Alternativen - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,828479,00.html)
"...Medikamente, indem sie unerwünschte Stoffe in den Zellen binden und so blockieren." Die "unerwünschten Stoffe" könnten aus Sicht der Militärs lebenswichtige Stoffe sein. Und das mit dem Blockieren, dass kennt man schon von der Chemiewaffe namens "Sarin".
5.
marisaaa 19.04.2012
Ist doch immer das Gleiche bei solchen Berichten: Es müssen erstmal die drauf loskommentieren, die zwar wenig Ahnung der aktuellen Molekularbiologie und deren Nutzen für die Medizin haben, aber dafür eine Menge Science-Fiction Schmarrn geschaut haben. Aber wehe man selbst oder ein Angehöriger ist irgendwann selbst von einer seltenen oder bis dato schwer heilbaren Erkrankung betroffen, dann ist man doch um jeden Fortschritt froh, den die Medizin bringt. Liebe Leute, liest doch bitte die Publikation - sofern ihr ein wenig biologisches Hintergrundwissen habt - und versucht die Inhalte und Zielsetzung zu verstehen, bevor ihr gleich mit so einem Weltuntergangsschmarrn kommt.
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Das Erbgut
Genom
Das Genom bezeichnet das gesamte Erbgut eines Organismus. Außer bei einigen Viren besteht es immer aus DNA (Desoxyribonukleinsäure). Das Genom beinhaltet den Bauplan für die Produktion sämtlicher Proteine (Eiweißmoleküle), die ein Organismus zum Leben benötigt. Ein Gen ist ein Sequenzabschnitt auf dem Genom und beinhaltet die Erbinformation für ein Protein. Die einzelnen Bausteine der DNA sind vier verschiedene sogenannte Nukleinsäuren: A, C, T und G.
Messenger-RNA (mRNA)
Die mRNA ist eine Art Genabschrift oder Blaupause der DNA. Nur die mRNA kann von den Proteinfabriken der Zellen, den sogenannten Ribosomen gelesen werden. Sie gibt ihnen vor, in welcher Reihenfolge Aminosäuren - die Bausteine von Proteinen - für das jeweilige Protein zu verknüpfen sind.
Codon
Ein Codon ist eine Folge von drei Bausteinen (Nukleotiden oder Basen) der DNA und analog auch der mRNA. Ein Codon steht für eine bestimmte Aminosäure oder als Stoppsignal, welches das Ende einer Bauanweisung für ein Protein kennzeichnet.
Genetischer Code
Der genetische Code ist die Zuordnung der Basen-Dreiergruppen und der Aminosäuren. Da vier verschiedene Basen zur Auswahl stehen, umfasst der genetische Code insgesamt 64 Codons. Für die meisten Aminosäuren gibt es daher mehr als ein Codon. So stehen beispielsweise die Codons CAG und CAA für die gleiche Aminosäure, die Glutaminsäure.
Transfer-RNA (tRNA)
Die tRNAs übernehmen eine Adapterfunktion beim Bau der Proteine: Jede tRNA hat auf der einen Seite jeweils ein sogenanntes Anticodon, das passend zum Codon auf der mRNA ist. Auf der anderen Seite ist sie mit der zugehörigen Aminosäure beladen. Auf diese Weise wird der genetische Code auf der mRNA abgelesen und in die entsprechende Aminosäurekette zum Protein verwandelt. Dieser Prozess geschieht in den Ribosomen.