Direkt zum Inhalt

Gelenkte Evolution von Biomolekülen

Biochemiker bedienen sich Mechanismen der natürlichen Entwicklung der Arten von Lebewesen, um chemische Verbindungen mit neuen Eigenschaften zu züchten. Indem sie Populationen von Makromolekülen durch Zyklen von Auslese, Vermehrung und Mutation schicken, vermögen sie Stoffe fast beliebiger Funktion zu schaffen.

Was die Natur durch die Evolution im Großen hervorgebracht hat, wollen Wissenschaftler nun im Kleinen im Labor nachahmen. Sie operieren allerdings nicht mit Organismen, noch nicht einmal mit Zellen, sondern mit einzelnen Makromolekülen. So hoffen sie, komplizierte Verbindungen zu gewinnen, die genau die geforderten Eigenschaften haben.

In gewisser Hinsicht gleicht das Vorgehen bei dieser gelenkten biochemischen Evolution den Praktiken von Pflanzen- und Tierzüchtern. Wünscht man eine besonders glutvoll rote Rose oder eine Perserkatze mit noch dichterem, weicherem Fell, dann wählt man als Grundstock zur Weiterzucht erst einmal diejenigen Exemplare aus, bei denen diese Merkmale am stärksten ausgeprägt sind. Entsprechend sucht man, wenn eine Substanz mit einer bestimmten chemischen Eigenschaft gefragt ist, aus einer großen Population diejenigen Moleküle heraus, die den Vorstellungen am besten entsprechen. Von diesen werden Abkömmlinge erzeugt, die dem Vorläufer mehr oder weniger ähneln. Die Selektions- und Vervielfältigungsprozedur wiederholt man, bis das gewünschte Resultat erreicht ist.

Die Effizienz dieses Verfahrens bei Molekülen beruht auf den großen Stückzahlen. Nicht selten durchmustert man auf einmal rund 1013 – zehn Billionen – verschiedene Moleküle. Auch gelingt die Zucht unter Umständen sehr schnell: Eine Molekülgeneration besteht, von ihrer Selektion bis zur Vervielfältigung, manchmal nur ein oder zwei Tage. Und auch eine knappe Auswahl ist kein Hindernis: Weist pro Milliarde Molekülen nur eines eine nutzbare Eigenschaft auf, dann genügt dieses als Grundstock für die Produktion der nächsten Generation.

Molekularbiologen können aus den Genen eines Organismus bis zu einem gewissen Grade wie aus einem historischen Dokument seine Evolutionsgeschichte herauslesen. Auch Biochemiker gewinnen aus der Beobachtung der gelenkt evolvierenden Moleküle genaue Informationen über ihre Eigenschaften zu jedem gewünschten Zeitpunkt ihrer Entwicklung.

Von der gelenkten biochemischen Evolution verspricht man sich völlig neue Klassen von Reagenzien für die industrielle Anwendung wie auch neuartige Medikamente. Die Verfahren könnten sogar der Menschheit dienen, es mit der Evolution von Krankheitserregern aufzunehmen.

Evolutive Mechanismen

Die biologische Evolution, wie Charles R. Darwin (1809 bis 1882) sie beschrieben hat, zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß drei Vorgänge sich fortlaufend wiederholen: Selektion, Vermehrung und Mutation. Die Auslese, gleich ob sie nun natürlicherweise geschieht oder durch menschliches Eingreifen (Darwin selbst gewann seine Erkenntnisse großenteils aus der Betrachtung domestizierter Organismen), trennt Eigner bestimmter Eigenschaften von Nichteignern. Vielzellige Organismen müssen in der Regel so ausgestattet sein, daß sie bis zum Fortpflanzungsalter überleben, einen passenden Partner finden und lebensfähigen Nachwuchs erzeugen. Im biochemischen Labor setzt der Wissenschaftler die Kriterien: Sucht man beispielsweise Verbindungen, die sich fest an ein bestimmtes Gift binden, wird man diejenigen Moleküle, die diese Anforderung erfüllen, absondern und die übrigen verwerfen (siehe Kasten auf gegenüberliegender Seite).

Vermehrung im Darwinschen Sinne, also die Erzeugung von Nachkommen, bedeutet genaugenommen, daß Organismen ihr ererbtes genetisches Material in Kopie weitergeben. An die Selektion hat die Natur diesen Übergang von einer Generation zur nächsten durch den Zeugungsakt gekoppelt. Im Labor verbindet man beide Vorgänge dadurch, daß man nur die den Kriterien genügenden Moleküle vervielfältigt – genauer: nicht unbedingt sie selbst, sondern ihre genetische Beschreibung (wobei der Begriff „genetisch“ in einem sehr weiten, übertragenen Sinne gemeint ist).

Durch Mutation, den dritten wesentlichen Prozeß, entsteht Vielfalt. Ohne sie ist evolutionärer Fortschritt nicht möglich, weil es sonst der Selektion an Auswahl mangelte. In vielen Laborsystemen ahmt man dies nach, indem man zuerst eine recht heterogene Population schafft, aus der dann wiederholt die am ehesten geeigneten Moleküle ausgewählt und vervielfältigt werden.

Dies ist zwar noch kein wirklicher Evolutionsprozeß, denn nach dem ersten Schritt kommen neue Mutationen nicht mehr vor. In ausgeklügelteren Laborsystemen aber treten in jeder Generation auch neue Varianten auf, so daß Selektion, Vermehrung und Mutation fortwährend zusammenwirken können.

Erste Experimente

Eine biochemische gelenkte Evolution demonstrierten erstmals Ende der sechziger Jahre Sol Spiegelman und seine Mitarbeiter von der Universität von Illinois in Urbana. Sie hatten ein Protein des Qb-Bakteriophagen untersucht, eines kleinen Virus, welches das Darmbakterium Escherichia coli infiziert. Der Phage hat als Erbsubstanz einen Strang aus Ribonucleinsäure (RNA, einer der Desoxyribonucleinsäure – DNA – der höheren Organismen verwandten Verbindung) und darauf lediglich vier Gene, von denen eines für ein bestimmtes Enzym codiert. Diese Replikase vervielfältigt das virale RNA-Genom, indem sie davon Kopien herstellt (normalerweise in den Bakterien), und ist somit für das Überleben und die Vermehrung des Virus unerläßlich.

Spiegelman wußte, daß er auch im Reagenzglas virale Genom-Kopien erhielte, wenn er die RNA mit Replikase mischen und Ribonucleosidtriphosphate (die Bausteine der RNA) zusetzen würde. Bei diesem Vorgang der Vermehrung eines Moleküls ist die Variation – die Erzeugung neuer Mutationen – gewissermaßen schon eingebaut, denn die virale Replikase arbeitet unpräzise: Fast bei jeder erzeugten RNA-Sequenz macht sie ein oder zwei Fehler. Spiegelmans Selektionskriterium schließlich war, den RNA-Molekülen nach biblischem Vorbild nichts weiter zu gebieten als „mehret euch“ und nur noch die biologische Klausel „und zwar so rasch wie möglich“ hinzuzufügen.

Indem Spiegelman so die evolutiv wirksamen Merkmale des Qb-Systems zusammenführte, entwarf er ein klassisches Serien-Übertragungs-Experiment: Er ließ die Qb-Replikase die Qb-RNA im Reagenzglas 20 Minuten lang vervielfältigen. Die Replikase stellte indessen nicht nur von den Ausgangsmolekülen, sondern auch von deren Nachkommen Kopien her und beging dabei ebenfalls mitunter Fehler. Der Forscher übertrug dann eine Probe des Reaktionsgemisches in ein anderes Reagenzglas mit einem frischen Vorrat an Enzym und Nucleosidtriphosphat. Den gesamten Vorgang wiederholte er 74mal. Das Zeitlimit bevorteilte die RNA-Moleküle, die sich am schnellsten vermehrten: Nach jedem Durchgang waren mehr von ihnen vertreten als von anderen und darum in der entnommenen Probe häufiger – ein Effekt, der sich fortpflanzte.

Regelmäßig zog Spiegelman außerdem die Selektionsschraube an, indem er die zur Vervielfältigung verfügbare Zeitspanne verkürzte. Dadurch wurden wiederum diejenigen RNA-Moleküle, die weniger schnell kopiert werden konnten als andere, seltener vervielfältigt.

Mit fortschreitender Evolution im Reagenzglas wurden die RNA-Stränge denn auch immer kürzer, da kleinere Moleküle sich schneller und daher im gleichen Zeitraum öfter kopieren lassen als das vollständige virale Genom. Bis zum 74. Transfer waren 83 Prozent des ursprünglichen Qb-Genoms eliminiert. Nur der Teil war noch übrig, den die Replikase zur Verrichtung ihrer Funktion unbedingt benötigte. Diese Moleküle hatten zwar die Information verloren, Coli-Bakterien zu infizieren (diese Eigenschaft benötigten sie in ihrer künstlichen Umwelt ja nun auch nicht mehr), aber sich den gesetzten Selektionsbedingungen vorzüglich angepaßt: Ihre Replikationsgeschwindigkeit war ungefähr 15fach gesteigert (Bild 1).

Das Qb-System hat zu unserem Verständnis evolutiver Vorgänge auf molekularer Ebene wesentlich beigetragen. Nach Spiegelman haben auch verschiedene andere Forscher es benutzt, um damit RNA-Moleküle mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen. So gewannen Leslie E. Orgel und seine Mitarbeiter am Salk-Institut für biologische Studien in San Diego (Kalifornien) Varianten, die gegenüber Ethidiumbromid unempfindlich sind, das normalerweise die Vermehrung von RNA im Reagenzglas hemmt.

Allerdings hat das Qb-System ein erhebliches Manko: Die Replikase ist sehr wählerisch darin, welche RNA-Sequenzen sie überhaupt vervielfältigt. Letztlich immer maßgebliches Selektionskriterium – das über sämtlichen anderen Einflüssen steht und wesentlich mehr Druck ausübt als alle künstlich gesetzten Bedingungen – ist und muß in dem Fall auch sein, daß die RNA-Moleküle ein gutes, das heißt geeignetes Substrat für die Replikase bleiben. Es ergeht ihnen gewissermaßen wie dem Kind, das von den Eltern hört: „Du kannst in deinem Leben alles machen, was du willst, solange du nur zu Hause bleibst und den Familienbetrieb weiterführst.“

Aus diesem Grunde läßt das Qb-System sich nur in Grenzen für unsere Zwecke nutzen. In den letzten Jahren hat man jedoch flexiblere Evolutionssysteme entwickelt, bei denen Replikation und Selektion getrennte Prozesse bleiben. Möglich wurde dies durch Vervielfältigungsverfahren, die unabhängig von der Sequenz der Bausteine im genetischen Material funktionieren.

Genial einfache Vervielfältigungstechniken

Eine dieser Methoden ist die Polymerase-Kettenreaktion. Sie erlaubt die millionenfache Vervielfältigung einer DNA-Sequenz innerhalb weniger Stunden (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1990, Seite 60). Polymerasen sind die Enzyme, die aus Nucleotiden nach Vorlage neue DNA- oder RNA-Stränge bauen (auch die Qb-Replikase ist eine bestimmte Sorte von Polymerase), wobei die neue Sequenz dem Ausgangsstrang komplementär ist (Bild 2). Bei der Kettenreaktion nimmt man – dies ist der Grund für die enorme Geschwindigkeit – die von Polymerasen synthetisierten DNA-Stränge immer wieder als neue Vorlage für weitere Kopien; man muß dazu die beiden komplementären Stränge nur jeweils (durch sogenanntes Aufschmelzen) voneinander lösen.

Das Prinzip besteht einfach darin, daß die beiden komplementären Stränge einer DNA-Doppelhelix, die das gewünschte Gen enthält, getrennt und dann beide von der Polymerase zu zwei Doppelhelices vervollständigt werden. Diese werden erneut getrennt und vervollständigt und so fort. Die Zahl der Helices wächst dabei exponentiell, so daß innerhalb weniger Stunden das ursprüngliche DNA-Gen millionenfach vervielfältigt werden kann.

Mit einer verwandten Methode, die ebenfalls unspezifisch anwendbar ist, kann man auch RNA mit hoher Geschwindigkeit kopieren (Bild 3). RNA selbst liegt nicht als Doppelstrang vor, doch läßt sie sich leicht in DNA umschreiben (was in der Zelle beim Ablesen der genetischen Information in umgekehrter Richtung geschieht). Deshalb benötigt man in diesem Falle zwei verschiedene Polymerasen: eine, um die RNA zunächst in einen komplementären DNA-Strang zu übersetzen, und die zweite, um die DNA wieder in RNA umzuschreiben.

Der Effekt ist der gleiche wie bei der Polymerase-Kettenreaktion: Indem immer wieder Kopien der Kopien angefertigt werden, erzielt man sehr schnell eine erstaunliche Anzahl identischer RNA-Gene – unter Umständen Millionen innerhalb einer Stunde. Wenn es noch schneller gehen soll, kann man diese Methode zur RNA-Vervielfältigung sogar mit der Polymerase-Kettenreaktion koppeln; dann erhöht sich die Anzahl der Kopien auf Milliarden.

Das für unsere Zwecke Nachteilige an beiden Methoden ist nur, daß sie in ihrer ursprünglich entwickelten Form zu genau arbeiten. Kopierfehler, wie sie sich beim Qb-System praktisch von selbst einstellen, treten zu selten auf, um den Bedarf an Mutationen für Projekte mit gelenkter Evolution zu decken. Aber inzwischen konnten beide Verfahren so modifiziert werden, daß Mutationen in genügender Zahl und regelbarer Menge auftreten.

Die hochwirksamen Methoden zur Vervielfältigung von genetischem Material erlauben, ein weites Spektrum von Selektionszwängen zu erforschen. Als Moleküle mit genetischer Information eignen sich DNA und RNA schon deshalb besonders für solche Untersuchungen, weil die Basensequenzen, die ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmen, zugleich ihre genetische Ausstattung ausmachen. Man kann sie nach funktionalen Kriterien selektieren und anschließend einfach die dafür zuständige genetische Sequenz vervielfältigen.

Normalerweise denkt man bei biologisch aktiven Makromolekülen zunächst an Proteine – schließlich sind sie in Zellen die Hauptagenzien bei enzymatischen katalytischen Prozessen. Dennoch kann auch RNA als Katalysator wirken, wie als erste Thomas R. Cech von der Universität von Colorado in Boulder und Sidney Altman von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) mit ihren 1989 mit dem Nobelpreis gewürdigten Arbeiten nachwiesen (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1989, Seite 18). Man darf durchaus annehmen, daß DNA gleichfalls katalytische Eigenschaften hat. Auch die für Lebensfunktionen unabdingbare Fähigkeit von bestimmten Molekülen, sich an Zielmoleküle zu binden, könnten DNA und RNA eventuell haben.

Medizinische Anwendungen

Es gibt viele Gründe, aus DNA und RNA praktisch nutzbare Wirkstoffe zu entwickeln, nicht zuletzt medizinische. Herzinfarkte beispielsweise behandelt man heute oft mit Streptokinase, einem bakteriellen Protein, das Blutpfropfen auflöst. Leider reagieren manche Patienten darauf allergisch – bei einem körperfremden Protein ist das nicht überraschend. Auch wenn ärztliche Kunst den Kranken diesmal rettet, ist doch ihr Handlungsspielraum bei einem weiteren Infarkt eingeschränkt. Neue gerinnungshemmende Medikamente aus maßgeschneiderter DNA oder RNA sollten eines Tages die Gefahr eines allergischen Schocks ausschließen.

Erste Ansätze, solche Wirkstoffe zu entwickeln, gibt es bereits, und die gelenkte Evolution ist dabei eines der wichtigsten Verfahren. John J. Toole und seine Mitarbeiter von der amerikanischen Firma Gilead Sciences, die einen Hemmstoff für das Blutgerinnungsprotein Thrombin suchten, haben eine Population von 1013 DNA-Einzelsträngen mit jeweils verschiedener Sequenz hergestellt, die sie dann nach einer geeigneten Version durchmusterten. Sie gaben sie dazu in ein Gefäß, in dem Thrombin auf einer festen Oberfläche gebunden war (Bild 4). DNA-Moleküle, die sich unerwünschterweise an die Gefäßoberfläche selbst anlagerten, hatten sie zuvor ausgemustert.

Erwartungsgemäß konnten sich die allermeisten der DNA-Stränge nicht an das Thrombin binden; sie ließen sich von der Oberfläche leicht abwaschen. Doch 0,01 Prozent der Population – das waren etwa 109 Moleküle – blieben haften. Diese selektierte Fraktion haben die Forscher zurückgewonnen und mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion davon wieder eine Population von 1013 Molekülen hergestellt.

Sie wiederholten den gesamten Vorgang fünfmal und hatten am Ende eine Population gewonnen, die hoch angereichert war mit Molekülen, die sich an Thrombin binden konnten. In ersten Labortests hat diese Population tatsächlich die Bildung von Blutpfropfen verhindert. Zur Zeit laufen Versuche mit Pavianen und Rhesusaffen, die das Produkt bereits als wirksamen Gerinnungshemmer ausweisen.

An sich gibt es keine Bindungen zwischen Thrombin und Nucleinsäuren, und man durfte nicht unbedingt erwarten, an dem Gerinnungsprotein haftende DNA-Sequenzen zu finden. Nur mit Hilfe wiederholter selektiver Vermehrung war eine Nucleinsäure zu finden und zu isolieren, die sich geradezu begierig an Thrombin anlagert.

Man hat inzwischen umfangreiche Populationen von DNA- und RNA-Sequenzen nach Varianten durchmustert, die mit bestimmten Molekülen Bindungen eingehen. Die ersten Erfolgsmeldungen betrafen vielfach Zielmoleküle, von denen man schon wußte, daß sie mit Nucleinsäuren wechselwirken können – zum Beispiel die regulatorischen Proteine, zu deren natürlicher Funktion gehört, sich in der Zelle an bestimmte RNA-Sequenzen anzulagern.

Wollte man früher die Wechselwirkungen zwischen RNA und einem Zielprotein genauer erforschen, so ging das nicht anders, als in der RNA gezielt einzelne Mutationen zu setzen, deren Auswirkungen man dann verfolgte. Es war eine Art molekulares Ratespiel, die bestimmenden Komponenten des Bindungsmechanismus so schrittweise auszutüfteln.

Heute geht die Tendenz dahin, rund 1013 Mutationen gleichzeitig zu erzeugen und die selektive Vervielfältigung die Arbeit machen zu lassen. (Man könnte auch noch größere Ausgangspopulationen herstellen; allerdings werden die Kosten bei mehr als 1015 Molekülen unvertretbar hoch.) Um die gewünschte Mannigfaltigkeit zu erzielen, ersetzt man die Bausteine der gesamten oder eines Teils der RNA-Sequenz durch zufällig ausgesuchte Nucleinsäuren. Aus der neuen heterogenen RNA-Population fischt man dann diejenigen Sequenzen heraus, die sich am besten an das Zielprotein binden. (Die Methode ist ähnlich wie die vorher beschriebene für thrombin-bindende Moleküle; Bild 4).

Zur Vervielfältigung werden die selektierten RNA-Moleküle in DNA-Sequenzen umgeschrieben (der Vorgang wird reverse Transkription genannt, siehe Bild 3). Diese lassen sich dann mittels Polymerase-Kettenreaktion beliebig vervielfältigen; und zuletzt wird die DNA wieder in RNA transkribiert. Alternativ kann man die in Bild 4 dargestellte Methode anwenden.

Für die Bindung an DNA oder RNA kommen praktisch Moleküle aller Art in Frage, nicht nur Proteine. Eines der ersten erfolgreichen Experimente zur selektiven Vervielfältigung haben 1990 Andrew D. Ellington und Jack W. Szostak von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) mit kleinen organischen Farbstoffmolekülen ausgeführt. Sie durchmusterten eine Probe von 1013 aus Zufallssequenzen zusammengesetzten RNA-Molekülen und fanden für jeden der Farbstoffe passende, die sich fest an ihn anknüpften.

Als sie dieses Experiment kürzlich mit DNA-Zufallssequenzen wiederholten, erhielten sie einen vollkommen anderen Satz farbstoffbindender Moleküle. Als man diese nämlich in RNA umschrieb, legten sich die komplementären Stränge nicht an die jeweiligen Farbstoffe an. Anscheinend machen das die beiden Nucleinsäuren auf ganz verschiedene Weise.

Dieser Befund offenbart eine wichtige Eigenheit der gelenkten Evolution (und auch von Evolution allgemein): Die erhaltenen Formen bieten nicht unbedingt die ideale Lösung eines Problems, sondern nur die besten Möglichkeiten, die in der Evolution eines bestimmten Makromoleküls auftreten.

Kunstmoleküle

Experimente mit gelenkter Evolution müssen sich nicht auf DNA und RNA beschränken. Im Prinzip ist jede Population von Makromolekülen für eine künstliche Selektion geeignet, wenn es nur eine einfache Möglichkeit gibt, die quasi genetische Beschreibung der selektierten Individuen zu vervielfältigen. Einen eigenen Sprachmodus in diesem weitgefaßten Sinne haben Sydney Brenner und Richard A. Lerner vom Scripps-Forschungsinstitut in La Jolla (Kalifornien) für die genetische Beschreibung beliebiger Makromoleküle geschaffen.

Ihre Idee ist, jeweils zwei verschiedenartige Teile so zu koppeln, daß ein Molekül mit zwei funktionell verschiedenen Armen entsteht (Bild 5). Der eine ist das Makromolekül, dessen Bindungsfähigkeit getestet werden soll; er kann aus Aminosäuren, Zuckern oder beliebigen anderen organischen Verbindungen bestehen. Der andere ist der quasi genetische, typischerweise aus DNA, der eine Beschreibung des funktionellen Arms enthält – in diesem Fall meint genetische Beschreibung nichts weiter, als daß die Nucleotidsequenz auflistet, wie welche Einheiten in dem funktionellen Arm angeordnet sind.

Man synthetisiert beide Arme parallel, indem man erst eine (beliebige) Untereinheit an den funktionellen Arm anfügt, dann die entsprechenden Nucleotide – meist mehrere pro Einheit – an den genetischen. Das fertige Doppelmolekül (oder eigentlich den funktionellen Arm) testet man auf seine Bindungsfähigkeit gegenüber der Zielsubstanz. Die Moleküle, die sich dort anlagern, kann man isolieren und – deshalb benötigt man die DNA-Sequenz – mittels Polymerase-Kettenreaktion vermehren. Nun läßt sich ihre Nucleotid-Abfolge aufschlüsseln, und daran vermag man auch den Aufbau des funktionellen Arms zu dechiffrieren.

An diesem System wird der symbolische Charakter von genetischer Information erkennbar. Zum Entwurf des Doppelmoleküls braucht man zunächst zur Kennzeichnung der Untereinheiten im funktionellen Arm einen genetischen Code aus Nucleotiden, den man aus vorhandenen biologischen Codes wählen oder frei erfinden kann. Brenner und Lerner verwendeten für eine Untereinheit wie die Natur jeweils drei Nucleotide (auch im Erbgut von Organismen steht jeweils ein Nucleotid-Triplett für eine der Aminosäuren, aus denen Proteine aufgebaut sind). Man kann aber auch vier oder noch mehr genetische Symbole verwenden. Ausschlaggebend ist, wie viele verschiedene Bausteine für den funktionellen Arm man definieren muß: Je mehr es sind, desto mehr Symbole wird man pro Baustein benötigen, damit eine eindeutige Zuordnung noch gewährleistet ist.

Unabhängig davon, welche Art von Makromolekül man wählt, ist der Anfangsschritt immer die Erzeugung einer heterogenen Population von Molekülen. Es gibt drei Grundstrategien, dieses Ziel zu erreichen.

Man kann erstens von einer Sequenz bestimmter Länge durch alle möglichen Anordnungen der Elemente sämtliche Typen herstellen. Soll etwa das gewünschte Makromolekül 15 Untereinheiten haben, von denen es zum Beispiel vier verschiedene Arten gibt, beträgt die Zahl der möglichen Anordnungen 415, mehr als eine Milliarde. (Eine Ausgangspopulation von 1013 Molekülen enthielte dann durchschnittlich 10000 Kopien von jeder möglichen Sequenz.) Manche Methoden zur selektiven Vervielfältigung, etwa die mit bifunktionellen Molekülen von Brenner und Lerner, sind auf diese erste Strategie hin ausgerichtet (Bild 6).

Weil die Zahl möglicher Sequenzen aber mit der Anzahl der Untereinheiten exponentiell steigt, wird es irgendwann unsinnig und unrentabel, von längeren Makromolekülen noch sämtliche Varianten herzustellen und durchzumustern. In dem Fall kann die Methode der Wahl eine Art Schrotschuß-Strategie sein: Man schafft nach dem Zufallsprinzip eine sehr große, eben noch gut handhabbare Zahl verschiedener Versionen ohne Anspruch auf Vollständigkeit (Bild 6 Mitte).

Toole zum Beispiel hat, als er nach thrombin-bindenden DNA-Sequenzen suchte, mit Molekülen gearbeitet, die an 60 Positionen zufällig variiert waren. Eine Population, die alle Möglichkeiten umfaßt, hätte 460 (etwa 1036) verschiedene Moleküle enthalten müssen (weil DNA vier verschiedene Bausteine hat) – viel zu viele, als daß irgendjemand sie hätte synthetisieren oder durchmustern können. Die 1013 Moleküle, mit denen Toole tatsächlich anfing, repräsentierten zwar nur einen kleinen Bruchteil der Möglichkeiten; doch der erfolgreiche Verlauf des Experiments zeigte, daß die Stichprobe als Ausgangspopulation für eine gelenkte Evolution noch groß genug war. Insbesondere wenn man nach Molekülen mit neuartigen Eigenschaften sucht, ist dieser Ansatz oft vernünftig.

Eine dritte Strategie bietet sich an, wenn der gewünschte Stoff vermutlich einer bekannten Substanz ähnelt. Man nimmt dieses Molekül als Vorlage und wählt die Mutationsfrequenz so, daß jede neue Version sich nur in einigen wenigen Positionen von der Ausgangssequenz der Bausteine unterscheidet; die Zahl unterschiedlicher Elemente liegt allerdings nicht fest. Die so gewonnene Population enthält hauptsächlich Moleküle, die der Vorlage fast gleichen (Bild 6 unten).

Optimierung durch immer weitere Variation

Die natürliche Evolution gehört im Grunde zur dritten Kategorie. Die elterlichen Genome, die selbst auch schon über viele Generationen selektiert worden sind, geben ihrerseits neue Mutationen weiter, die nur in geringem Maße vom bewährten Muster abweichen. Da sich solche zufälligen Veränderungen in jeder Generation ereignen, bleibt die Population trotz aller Selektion zwischendurch immer heterogen.

Die schrittweisen Veränderungen sind aber deswegen so wirksam, weil aus den selektierten Mutanten wiederum Mutanten hervorgehen können, von denen manche noch vorteilhafter sind als ihre Vorgänger. Hingegen bietet die Schrotschuß-Methode das breite Spektrum nur einmal zu Anfang. Darum eignet sie sich wohl dafür, die Richtung für eine neue Entwicklung zu finden; doch wird man mit dem Material nicht unbedingt zum gewünschten Ziel gelangen.

Ein subtiler, aber wichtiger Aspekt der Evolution in der Natur und der Kraft der schrittweisen zufälligen Veränderungen verdient Aufmerksamkeit: Neue Mutationen erhöhen lediglich die schon vorhandene Variation. Darum sind der evolutionären Suche stets Grenzen gesetzt, nämlich durch frühere Selektionsereignisse (von denen manche sogar meinen, daß sie eine Richtung vorgäben oder die weitere Entwicklung führten).

Nun geschieht die Evolution allerdings nicht vorausschauend. Vielmehr spiegeln die Gene einer Population zu jedem Zeitpunkt wider, welche Merkmale in vorangegangenen Generationen vorteilhaft waren. Zudem entspricht die Zahl der Kopien einer bestimmten Gensequenz dem durch sie gewährten Selektionsvorteil, denn von jeder größeren Familie verwandter Sequenzen werden die unter den jeweiligen Umständen nützlichsten und damit häufigsten die meisten Nachkommen erzielt haben. Deshalb werden auch neue Mutanten vorwiegend zu jenen Zweigen des genetischen Stammbaums hinzukommen, die sich durch günstige Mutanten bewährt haben.

Möchte man dieses Prinzip auch bei der gelenkten Evolution von Molekülen verwirklichen, muß man schrittweise, in jeder Generation neu, zufällige Veränderungen setzen. Die Voraussetzungen dafür sind bereits gegeben. So können wir nun beginnen, nicht nur große Populationen von DNA- und RNA-Molekülen zu verändern und die weiteren Generationen auf bestimmte erwünschte Funktionen hin durchzumustern, sondern ihre Weiterevolution auch hinsichtlich einer Optimierung ihrer Eigenschaften voranzutreiben.

In meinem Labor sind wir soweit, praktisch beliebige Populationen von RNA-Molekülen in dieser Weise evolvieren zu lassen. Wir interessieren uns speziell für die Ribozyme, die oben beschriebenen RNA-Moleküle mit katalytischer Funktion. Aus der Natur ist nur eine sehr begrenzte Zahl von ihnen bekannt, und ihre katalytischen Fähigkeiten beschränken sich auf einige wenige Funktionen. Wir können allerdings dort anknüpfen, wo die Natur aufgehört hat, wenn wir im Labor einen beschleunigten Evolutionsprozeß so steuern, daß die Ribozyme neue katalytische Eigenschaften gewinnen.

In einem dieser Experimente haben wir mit einem Ribozym des einzelligen Organismus Tetrahymena thermophila gearbeitet. Es vermag bestimmte RNA-Moleküle zu schneiden und zu spleißen, das heißt funktionale und regulatorische Abschnitte der genetischen Anweisung voneinander zu trennen. Wir wollten ein Ribozym entwickeln, das in ähnlicher Weise bestimmte DNA-Stücke abschneidet. Solche künstlichen Enzyme wären sicherlich von großem therapeutischem Nutzen, zum Beispiel um die Erbsubstanz eines infizierenden Virus, die sich in das Genom von Zellen eines Wirtsorganismus integriert hat, wieder herauszulösen.

Als Ausgangspopulation erzeugten wir 1013 Varianten des Tetrahymena-Ribozyms und setzten sie einem DNA-Substrat aus. Nur wenige der RNA-Moleküle vermochten die DNA zu spalten, blieben dann aber an eines der Spaltprodukte gekoppelt. Die in dieser Weise markierten RNA-Exemplare konnten wir nun selektiv vervielfältigen (Bild 7), wobei wir bei ihnen zugleich neue Mutationen auslösten. So gewannen wir eine zweite Generation von DNA-spaltenden Molekülen, eine wiederum vielfältige Population, die in Teilen die Aufgabe schon besser erfüllte als die erste. Nach zehn Durchgängen lagen RNA-Moleküle mit einem hohen Anteil solcher vor, die DNA recht passabel zu spalten vermochten.

Bei der biochemischen gelenkten Evolution haben wir den Gang der Dinge buchstäblich unter Kontrolle. Frühere Generationen müssen nicht aussterben; man kann sie tiefgekühlt aufbewahren und jederzeit wieder in das Reagenzgefäß nehmen. Mit Methoden, die sich aus der rekombinanten DNA-Technologie ableiten, lassen sich aus einer beliebigen Generation einzelne Moleküle isolieren, ihre komplette genetische Sequenz bestimmen und ihre katalytischen Eigenschaften messen. Die biomolekulare Evolution kann man im Detail nachvollziehen, ja man kann sogar zu einem beliebigen Punkt des Verlaufs zurückgehen und dort mit den gleichen oder an- deren Selektionskriterien neu beginnen. Das Wechselspiel von Selektion, Vermehrung und Mutation ist dem experimentellen Eingriff zugänglich geworden.

Die Technologie dafür steckt trotz allem noch in den Anfängen. Es gilt, noch größere Molekülpopulationen zu handhaben, die Effektivität der Selektionsprogramme zu steigern und die Zeit von einer Generation zur nächsten zu verkürzen. Eine Evolution im Darwinschen Sinne, also selektive Vermehrung verbunden mit schrittweiser zufälliger Veränderung, ist zur Zeit im Labor nur mit Populationen von DNA- und RNA-Molekülen möglich; doch Systeme für Proteine und andere Arten von Makromolekülen sind bereits in Sicht.

Wettlauf mit der Evolution

Die gelenkte molekulare Evolution bietet dem Biochemiker die Möglichkeit, mit der Natur in ihrer eigenen Sprache zu kommunizieren. Im Labor evolvierte Makromoleküle können sich spezifisch an solche binden, die natürlicherweise entstanden sind.

Vielleicht werden die Schöpfungen der Forscher einmal mit den natürlichen Veränderungen von Makromolekülen Schritt halten, etwa wenn Viren oder andere Krankheitserreger gegen Medikamente Resistenzen ausbilden. Zum Beispiel ist die Entwicklung einer RNA vorstellbar, die sich an ein bestimmtes virales Protein bindet und so den Infektionsmechanismus blockiert. Falls das virale Protein danach zu einer gegen die RNA resistenten Form mutierte, ließe sich mit gelenkter Evolution ein neues RNA-Agens finden. Dieses Katz-und-Maus-Spiel zwischen Retorte und Natur wäre beliebig fortsetzbar.

Ein anderer anwendungsbezogener Forschungsbereich der gelenkten Evolution wäre die Entwicklung neuartiger Katalysatoren. Die Biochemiker versuchen sich bereits an einem, wie man sagt, rationalen Design von Enzymen. Dazu suchen sie zielstrebig Biokatalysatoren in ihren Strukturen und Funktionseigenschaften zu verändern. Nur – warum sollte man, wenn eine große heterogene Population von Molekülen vorhanden ist und desgleichen eine praktikable Selektions- und Vervielfältigungsstrategie zur Verfügung steht, den evolvierenden Molekülen das Probieren und Prüfen nicht selbst überlassen? Diese Kehrtwendung bringt den Biochemiker in die ungewohnte Rolle des Zuschauers, der lediglich die Bedingungen vorgibt und ihr Erfüllen kontrolliert. Brenner sprach gar schon von einem „irrationalen Design von Enzymen“.

Es wird sich zeigen, welche katalytischen Funktionen durch gelenkte molekulare Evolution zugänglich werden. Die großen Erfolge der natürlichen Evolution sollten uns ermutigen; aber wir dürfen auch nicht vergessen, daß die Natur einen Vorsprung von vier Milliarden Jahren hat.

Ein Forschungsziel von hoher Priorität ist, Makromoleküle zu gewinnen, die ihre eigene Vervielfältigung katalysieren. Solche Moleküle würden anfangen, selbständig zu evolvieren – die Theoretiker sind sich weitgehend einig, daß das Leben auf der Erde auf diese Weise entstanden sein muß. Aus biochemischer Sicht müßte man solche Moleküle lebendig nennen. Es wäre eine Ironie der Ereignisse, wenn die gelenkte biomolekulare Evolution, die als der Versuch begann, das Leben zu imitieren, sich als ein Ansatz erwiese, es neu zu erfinden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1993, Seite 52
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1993

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1993

Kennen Sie schon …

31/2020

Spektrum - Die Woche – 31/2020

Neue Tests, um Sars-CoV-2 zu diagnostizieren, sollen Normalität ermöglichen. Außerdem in dieser Ausgabe: wie südafrikanische Züchter Löwen hungern lassen.

26/2020

Spektrum - Die Woche – 26/2020

Was bedeuten Mutationen von Sars-CoV-2 für die Pandemie? Außerdem in dieser Ausgabe: Streit um die Wetterstation Lingen und ein Mann, der Zahlen nicht mehr sehen kann

Evolution - Leben im Wandel

Spektrum Kompakt – Evolution - Leben im Wandel

Arten verändern sich: Was zu Zeiten Darwins noch revolutionär war, gehört heute zum allgemeinen Wissen. Doch was hat er wirklich gesagt, warum verläuft Evolution manchmal blitzschnell, und muss die Evolutionstheorie inzwischen überarbeitet werden?

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!