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DNA - Von Watson und Crick bis zur modernen Molekularbiologie

Vor gut 60 Jahren entschlüsselten Watson und Crick die Struktur der DNA und lieferten so den Schlüssel zum Verständnis der Weitergabe der Erbinformation. Seit dieser Entdeckung, die den Grundstein der Molekularbiologie legte, haben neue Erkenntnisse und Entwicklungen die Forschung in vielen Bereichen entscheidend verändert und auch Einzug in unsere alltägliche Welt gehalten. Ob DNA-Sequenzierung, genetischer Fingerabdruck oder personalisierte Medizin - Watsons und Cricks „Erbe“ ist allgegenwärtig.

Watson und Crick verdanken wir die Kenntnis der Struktur der DNA-Doppelhelix, wie hier im Modell vereinfacht dargestellt. © Bächtle/BIOPRO

Desoxyribonukleinsäure (deoxyribonucleic acid, DNA) ist vereinfacht gesagt der Stoff, aus dem die Gene sind. Das hochspezialisierte Biomolekül besticht durch seine simple und doch so leistungsfähige Struktur. Diese um sich selbst gewundene Doppelhelix wurde erstmals 1953 von James Watson und Francis Crick entdeckt, wofür sie später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Mit ihrem Modell klärten sie nicht nur die Molekularstruktur der Nukleinsäuren auf, sie wiesen auch direkt auf die Bedeutung der DNA für die Übertragung der Erbinformation hin.

Obwohl schon davor DNA-Forschung betrieben wurde, so legte doch diese Entdeckung den prominenten Grundstein für die intensive Erforschung der DNA, die seitdem stattgefunden hat. Ihr weiterer Weg in den folgenden 60 Jahren ist von Nobelpreisen gesäumt, beispielsweise für die Entdeckung der Restriktionsenzyme, die Entwicklung der DNA-Sequenzierung oder der PCR, ohne die die moderne Molekularbiologie nicht denkbar wäre.

Heute ist die Bandbreite der Möglichkeiten zur Analyse und Manipulation des Erbguts scheinbar grenzenlos. Die Mechanismen der Replikation und Translation der Erbinformation sind in ihren Grundzügen weitestgehend bekannt und können im Labor gezielt beeinflusst werden, um beispielsweise gentechnisch veränderte Organismen zu erzeugen. Die DNA-Analyse und -Manipulation gehören damit zum Standard-Handwerkszeug des Biologen.

Dem Code auf der Spur

Einen weiteren Meilenstein in der DNA-Forschung stellt die Möglichkeit zur DNA-Sequenzierung dar. Die sogenannte Didesoxymethode nach Sanger entwickelte Frederick Sanger ursprünglich zur Sequenzierung der Basenabfolge von RNA, wandte sie dann aber ebenfalls auf DNA an. Die auf einer Kettenabbruchsynthese beruhende enzymatische Methode wurde 1980 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet und kommt in leicht variierter Version auch heute noch vielfach zum Einsatz. Inzwischen gibt es allerdings auch modernere Methoden zur DNA-Sequenzierung, die in Abgrenzung zur Sanger-Methode als „Next Generation Sequencing“ bezeichnet werden. Unter diesem Begriff werden verschiedene Verfahren zusammengefasst, die einen erhöhten Durchsatz erlauben, wie beispielsweise Pyrosequenzierung, bei der die DNA-Polymerase-Aktivität indirekt über ein Lichtsignal detektiert wird, was eine hochparallele Analyse von DNA-Proben ermöglicht, Sequenzierung durch Hybridisierung von DNA-Fragmenten mit einer Nukleotidmatrix auf einem Glasträger und einige mehr. Während die Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms im Rahmen des 1990 gestarteten Humangenomprojekts noch fast 13 Jahre dauerte, ist das heute in etwa sechs Wochen zu schaffen. Mittlerweile sind bereits sogenannte Third-Generation-Sequencing-Methoden im Einsatz, die den Durchsatz noch weiter erhöhen und dabei Dauer und Kosten verringern. Dabei wird erstmals die Reaktion bei einzelnen DNA-Molekülen gemessen, wodurch eine Sequenzierung in Echtzeit ohne vorangehende Amplifikation per PCR möglich wird.

Das erhoffte Verständnis für die Bedeutung aller Gene nach der erstmaligen Sequenzierung blieb aus, da das Zusammenspiel der Gene und deren Regulation sehr viel komplexer ist als anfangs vermutet. Dennoch eröffnen die neuen Sequenziermethoden gerade im Bereich der Medizin ungeahnte Möglichkeiten. Bereits heute ist es teilweise möglich, Krankheiten anhand einer DNA-Analyse zu diagnostizieren und Therapien individuell auf die genetischen Voraussetzungen des Patienten zuzuschneiden. Besonders in der Krebstherapie spielen diese Diagnose und die personalisierte Behandlung eine große Rolle, da die jeweiligen krebsauslösenden genetischen Veränderungen stark variieren, aber deutlichen Einfluss auf die Wirksamkeit bestimmter Medikamente haben können. Wissenschaftler arbeiten darum weltweit an der Erforschung von Krebs-Biomarkern, die zur Diagnose und für Therapieentscheidungen herangezogen werden können.

Der genetische Fingerabdruck - Erbinformationen vor Gericht

Nicht nur in der Wissenschaft und der Medizin gehört die DNA zum Alltag, auch in der Verbrechensbekämpfung hat sie Einzug gehalten und ist als Beweismittel vor Gericht anerkannt. Zur Erstellung des sogenannten genetischen Fingerabdrucks werden aus dem Probenmaterial mittels PCR bestimmte nichtkodierende, repetitive DNA-Bereiche vervielfältigt, die eine bestimmte Nukleotidfolge in direkter Wiederholung, beispielsweise TATATA… oder TACTAC… enthalten. Da die Zahl der Wiederholungen zwischen mehreren Individuen stark variiert, ist auch die Länge der analysierten Abschnitte sehr unterschiedlich. Bei üblicherweise 8 bis 15 untersuchten Regionen ergibt sich daraus ein nahezu einzigartiges Bandenmuster, das statistisch gesehen nur einmal in mehreren Milliarden Menschen auftritt. Somit ergibt der genetische Fingerabdruck keine definitive Aussage, ob ein Verdächtiger der Täter ist oder nicht, er ermittelt lediglich eine Wahrscheinlichkeit. Auch zuverlässige Vaterschaftstests wurden damit ermöglicht und funktionieren grundsätzlich nach derselben Methode. Hier wird allerdings überprüft, ob der genetische Fingerabdruck des Kindes den Vererbungsregeln entsprechend aus einer Kombination der Allele des vermeintlichen Vaters und der Mutter stammen kann.

DNA-Nanotechnologie: Erbgut als molekularer Baustoff

Schematische Darstellung eines synthetischen DNA-basierten Lipidmembran-Kanals, der durch gezieltes Design von DNA-Nanostrukturen erzeugt wurde. © Hendrik Dietz, Friedrich Simmel/Technische Universität München

In den letzten Jahren hat die DNA außerdem noch eine ganz neue Rolle als molekularer „Baustoff“ bekommen. Die neue Forschungsdisziplin der DNA-Nanotechnologie macht sich die vorhersehbare und durch die Sequenz programmierbare Selbstorganisation von DNA-Oligonukleotiden zunutze. DNA-Moleküle werden dabei zum Aufbau definierter Strukturen wie DNA-Röhren oder -Gitter und sogar zum Bau funktioneller Einheiten eingesetzt, sogenannter molekularer Maschinen, die mechanische Bewegungen erzeugen.

All das ist möglich, da die DNA selbstständig definierte Strukturen ausbildet, über „sticky ends“, also „klebrige Enden“ leicht verknüpft werden kann und auch mit anderen Molekülen Bindungen eingeht. Daraus ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten in der Nanotechnologie. Beispielsweise können DNA-Gitter, die spezifisch ein bestimmtes Zielmolekül binden, als Sonden eingesetzt werden. Visionen sind auch die Entwicklung biologischer Computer und die Nutzung der DNA als Speichermedium. Eine einleuchtende Idee, schließlich weist die DNA eine Speicherdichte auf, von der man in der Technik nur träumen kann. Mit vier Basen codiert sie unsere Erbinformationen so kompakt, dass sie in jede unserer Körperzellen passen. Dass die Speicherung von Daten im Format eines DNA-Moleküls möglich ist, konnte bereits am Beispiel einzelner Bücher gezeigt werden. Für eine allgemeine Anwendung ist die Methode aber noch wesentlich zu teuer.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) ist ein doppelsträngiges, helikales Makromolekül, in dem die gesamte Erbinformation eines Organismus codiert ist.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Eine DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Synthese von DNA nach einer DNA-Vorlage katalysiert (z. B. bei der Replikation). Sie wird vielfach in der Gentechnik zur In-vitro-Synthese von DNA-Stücken verwendet.
  • Zwei schraubenförmig umeinander gewundene DNA-Stränge bilden eine Doppelhelix.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Mit Hybridisierung ist meist die Zusammenlagerung einzelsträngiger, auch nicht zusammengehöriger Nukleinsäuremoleküle (z. B. DNA-RNA) über Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen gemeint.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Oligo ist eine griechische Vorsilbe und bedeutet: wenig. Beispiel: Oligonukleotid.
  • Ein Oligonukleotid ist eine kurze Nukleotidsequenz.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Ein Restriktionsenzym ist ein Enzym, das palindromische Sequenzen auf der DNA erkennt und zerschneidet.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • Mit Nanotechnik ist Forschung und Technologieentwicklung auf der atomaren Ebene in einer Größenordnung von einem bis einhundert Nanometern gemeint. Sie hat zum Ziel, Strukturen, Geräte und Systeme zu schaffen und zu nutzen, die aufgrund ihrer geringen Größe neue Eigenschaften und Funktionen besitzen.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Mit einem Gentest können durch die Analyse der DNA Rückschlüsse auf verschiedene Merkmale eines Individuums gezogen werden. Ein Gentest kann zur Aufklärung medizinisch-diagnostischer Fragen wie der genetischen Ursache einer Krankheit oder der Untersuchung von Krankheitsanfälligkeiten dienen. DNA-Analysen werden auch durchgeführt, um einen sogenannten Genetischen Fingerabdruck zu erstellen, mit dem Identitäts- und Verwandtschaftsfragen geklärt werden können.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
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