Was kann DNA nicht?

Maren Emmerich
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(Ausschnitt)
a) als Enzym wirken
b) in Computern Rechenleistungen vollbringen
c) elektrischen Strom leiten
d) beim Nachweis von Dunkler Materie helfen

Antwort:

Unser Erbmaterial ist ein wahres Multitalent - aber als Enzym wirken kann nur ihre Schwestersubstanz RNA.

Erklärung:

Enzyme auf RNA-Basis, so genannte "Ribozyme", gelten sogar als erste Katalysatoren biochemischer Reaktionen überhaupt. Vertreter der "RNA-Welt-Hypothese" gehen davon aus, dass RNA während der Entstehung des Lebens als erster Speicher von Erbinformation diente. Vor der Entstehung der chemisch stabileren DNA gab es nach Ansicht der meisten Forscher also noch keinen Informationsfluss gemäß dem molekularbiologischen Dogma "vom Gen auf der DNA über die Abschrift in Form von RNA zum Protein". Stattdessen vereinte die RNA wohl alle Schlüsselfunktionen auf sich: Sie war Informationsspeicher und ausführendes Enzym zugleich. Auch heute noch enthalten einige Enzyme für ihre Funktion essenzielle RNA-Bestandteile wie zum Beispiel die Telomerase, die nach der Zellteilung die Endstücke der Chromosomen – die Telomere – wiederherstellt.

In Biocomputern finden dagegen sowohl RNA als auch DNA Anwendung. Die Idee, dass sich Nukleinsäuren aufgrund ihrer Zusammensetzung aus jeweils vier verschiedenen Nukleotiden zur Speicherung und Verarbeitung von Daten eignen könnten, geht auf den Physiker Richard Feynman zurück. Der Begründer der Nanotechnologie äußerte sich diesbezüglich bereits Ende der 1950er Jahre. Den ersten DNA-Computer präsentierte knappe 40 Jahre später der Amerikaner Leonard Adlerman. Seine Rechenmaschine namens "TT-100" konnte einfache Erfüllbarkeitsprobleme mit sieben möglichen Antworten lösen. Im Jahr 2000 stellte Lloyd Smith von der University of Wisconsin ein verbessertes System vor, das in der Lage war, unter 16 potenziellen Lösungen die richtige herauszufinden.

DNA eignet sich deswegen so gut zur Lösung dieser Art von mathematischen Problemen, da sich die Antwortmöglichkeiten mit Hilfe der vier verschiedenen Nukleotidbausteine in genetische Kodes übersetzen lassen. Diese können Bioinformatiker so stricken, dass nur Einzelstränge mit der richtigen Lösung an einen zweiten "Antwort"-Strang binden, auf dem die Nukleotide komplementär dazu angeordnet sind. Wenn man diesem Gemisch dann ein Enzym zusetzt, das alle Einzelstränge abbaut, bleibt alleine der Doppelstrang übrig, der die richtige Lösung kodiert.

Im Vergleich zu herkömmlichen Rechenmaschinen schreiben Wissenschaftlern DNA-Computern eine bessere Speicherkapazität und Parallelisierung zu. Probleme bereitet dagegen die technische Herstellung der Hybride aus organischen und technischen Bestandteilen.

Neben Rechenkunststücken kann DNA auch elektrischen Strom leiten – zumindest im Vakuum und über kurze Strecken. Nachdem Wissenschaftler sich jahrzehntelang darüber gestritten hatten, ob das Erbmaterial auch als elektrischer Leiter dienen kann, lieferten im Jahr 1999 gleiche mehrere Gruppen den Nachweis. Besonders elegant gingen dabei Wissenschaftler um Jaqueline K. Barton vom California Institute of Technology in Pasadena vor. Sie befestigten einen DNA-Doppelstrang an einem seiner Enden auf einer Goldfolie und markierten damit das eine Ende ihrer "Teststrecke". Das andere Schlussstück lieferte die Base Guanin, die in dem DNA-Strang nur einmal vorkam. Guanin ist die einzige Nukleobase, mit der die Chemikalie Daunomycin, welche die Wissenschaftler als zweiten Ladungsträger einsetzten, eine feste Bindung eingeht. Die Beobachtung, dass unabhängig von der Position des Guanin ein Elektronenfluss von der Goldfolie zum Daunomycin stattfand, lieferte den Beweis für die Leitfähigkeit der DNA.

Aber das ist noch nicht alles – nun wollen Forscher DNA auch zum Nachweis von Dunkler Materie einsetzen. Die Existenz dieser Substanz vermuten Forscher bisher vor allem auf Grund theoretischer Berechnungen. So soll die Dunkle Materie dabei helfen, die Gravitationswirkung ihres sichtbaren Gegenparts zu erklären. Mittlerweile verdichten sich jedoch auch die experimentellen Hinweise, dass die Dunkle Materie tatsächlich existiert und im Kosmos weit verbreitet ist. Als Hauptbestandteile der dunklen Masse vermutet die Mehrheit der Forscher so genannte "Weakly-Interacting Massive Particles". Um das Vorkommen dieser Partikel nachzuweisen, wollen Forscher wiederum die DNA zu Hilfe nehmen.

Zu diesem Zweck, so beschrieben George Church von der Harvard University und Kollegen 2012 ihren Plan, wollen sie Abertausende von DNA-Strängen an dünne Goldfolie heften. Hiermit wäre ein sehr sensitives Instrument geschaffen, das den Einschlag der Masseteilchen registrieren und damit die Theorie über den Aufbau der Dunklen Materie zur wissenschaftlichen Realität machen könnte.

Was kann DNA nicht?