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Bioinformatik: Schnittstellen zur Natur

Biologische Computer, die beim Menschen die Aktivitäten einzelner Zellen kontrollieren, könnten bald Wirklichkeit werden. Da sie kranke Zellen in gesundem Gewebe erkennen und zerstören, würden sie die medizinische Behandlung revolutionieren.
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Computer sind heute längst ein hoch geschätztes Hilfsmittel von Medizinern im Kampf gegen Krebs, Aidsviren und Bakterien – sie könnten aber bald noch mehr leisten, glauben Forscher wie Yaakov Benenson. Der Wissenschaftler arbeitet an der Harvard-Universität daran, eines der größten Hindernisse der Bioinformatik zu überwinden: Technik und Biologie, also Computerchips und Zellen, sprechen eine unterschiedliche Sprache.

"Zurzeit gibt es noch keine Geräte, die zelluläre Signale aufzeichnen können", erklärt Benenson. Ein Biocomputer, an dem er und Kollegen von der Universität Princeton arbeiten, soll diese schwierige Aufgaben aber bewältigen und Signale wie etwa die verschiedenen Genaktivitäten einer Zelle in eine computerlesbare Ausgabe umwandeln. Die Forscher scheinen hier auf einem guten Weg: In menschlichen Nierenzellen funktioniert ihr neuestes Modell bereits wie es soll.

"Jede menschliche Zelle verfügt über die Mittel, schützende Biocomputer zu bauen"
(Yaakov Benenson)
Das Computersystem fußt auf einem natürlichen Vorgang – der RNA-Interferenz (RNAi). Sie hemmt die Genexpression und damit die Biosynthese einzelner Genprodukte wie beispielsweise der Proteine. RNAi hilft unter anderem der Zelle, Viren zu bekämpfen. Oftmals ähneln die Moleküle, die den Prozess in Gang setzen, dem Erbgut von Viren. Es sind doppelsträngige RNA-Moleküle. Gelangen solche Moleküle in eine natürliche Zelle, so schneidet dort das Enzym "Dicer" die RNA-Moleküle in kurze Abschnitte, genannt siRNA (small interfering RNA). Ein Strang wird entfernt, und die kleinen RNA-Stücke verbinden sich mit verschiedenen Proteinen zum RISC-Komplex (RNA induced silencing complex). Stößt RISC in der Zelle auf Boten-RNA-Moleküle, deren Nukleotidsequenzen zu einem, eventuell auch mehreren RNA-Schnipseln passen, werden die gefundenen Moleküle vernichtet. Die Folge: Es gibt kaum oder sogar keine Anleitung für die Proteinproduktion. Das Gen wird spezifisch unterdrückt, und die erkrankte Zelle geht zugrunde.

"RNA-Interferenz bedeutet: Jede menschliche Zelle verfügt über die notwendigen Mittel, um schützende Biocomputer zu bauen", erklärte Benenson. "Es muss lediglich eine genetische Bauanleitung für die gewünschte Maschine existieren, dann wird die menschliche Biologie den Rest übernehmen." Gemeinsam mit seinen Forscherkollegen konstruierte Benenson Zielgene, die empfindlich für verschiedene Arten von siRNAs waren. Auch das Design der siRNAs wurde von den Forschern entwickelt.

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Funktionsmodell des Biocomputers | Funktionsmodell des Biocomputers
Da zumeist eine bestimmte Kombination von RNA-Schnipseln notwendig war, um ein Gen auszuschalten, diente die Boole'sche Algebra dem Benenson-Computer als Hilfsmittel. In der Boole'schen Algebra wird nur mit zweiwertigen Variablen – Veränderlichen – gerechnet, die den Wert 1 (auch "wahr" oder "true" genannt) oder den Wert 0 ("falsch", "false") annehmen können. In Boole'schen Formeln sind diese Variablen nach bestimmten aussagenlogischen Regeln miteinander verknüpft.

Input des Benenson-Computers war die Präsenz (codiert mit "true") oder Abwesenheit (codiert mit "false") bestimmter siRNAs. Das Forscherteam entwarf verschiedene Boole'sche Formeln. Sie berechneten, ob eine Kombination von RNA-Schnipseln vorlag, die ein bestimmtes Gen abschaltete, oder ob das Gen weiterhin aktiv blieb. Die Forscher konnten die Ergebnisse ihrer Berechnungen mit geläufigen Labormitteln einfach überprüfen. So schalteten diverse Gruppen von siRNA-Molekülen ein Gen aus, das ein fluoreszierendes Protein kodierte.

Erklärtes Forschungsziel ist es, RNA in menschliche Zellen einzuschleusen, um zu erkennen, ob eine Zelle von Krebs oder anderen Erkrankungen befallen ist. Aber die Erwartungen reichen noch weiter. Es geht nicht nur um Diagnostik, sondern auch um wirksame Therapie. Wird eine Erkrankung bemerkt, könnte ein passender RISC-Komplex die defekte Zelle zerstören.
11.08.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11.08.2007

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