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16.05.11 / 00:12
Heft 10/2011 Gesellschaft
Sternstunde der Genetik

Die Codeknacker

Vier Milliarden Jahre Evolution spiegeln sich im genetischen Code. Geknacktwurde er aber erst vor 50 Jahren, am 27. Mai 1961, von dem US-BiochemikerMarshall Nirenberg und seinem deutschen Doktoranden Heinrich Matthaei.



Code-Sonne: vier Ringe mitden Buchstaben der Basen,im äußersten Ring die Dreibuchstabenabkürzungfürdie jeweilige Aminosäure Foto: Mouagip-Wikipedia

Fast alle biologischen Zellvorgänge sind genetisch gesteuert. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts interessierten sich immer mehr Gelehrte für die unentdeckten Geheimnisse der Vererbungslehre. Der Augustinermönch und Naturforscher Gregor Johann Mendel gilt als Vater der modernen Genetik. Zwischen 1856 und 1863 experimentierte er auf dem Gebiet der Erbsenzucht und formulierte 1865 in den drei „Mendelschen Gesetzen“ die Vererbungslehre. Sie beschreibt, nach welchem Muster Eigenschaften der Elterngeneration an ihre Tochtergenerationen weitergegeben werden. Ein Meilenstein. Danach dauerte es aber noch knapp 100 Jahre, bis Nirenberg und Matthaei das Prinzip der genetischen Codierung vollständig erforschten.

Die DNA als eigentliche Erbsubstanz wurde 1944 von Oswald Avery identifiziert und 1953 von James Watson und Francis Crick zum ersten Mal in einem Modell dargestellt. Die beiden Forscher beschrieben die Molekülstruktur als Doppelhelix und erklärten, dass diese Struktur nur möglich ist, wenn die komplementären Nukleotide der gegenüberliegenden Stränge in einer bestimmten Kombination aneinandergebunden sind. Wie die auf der DNA gespeicherten Informationen in Proteine übersetzt werden, das heißt, wie der genetische Code aufgebaut ist, konnten sie jedoch nicht beantworten.

Das Poly-U-Experiment

Als eines der Hauptprobleme galt es herauszufinden, aus wie vielen Nukleinbasen ein Aminosäure-Code besteht und in welcher Sequenz diese sogenannten Codone zusammengesetzt sind – die Sequenz entscheidet über die Art der Aminosäure (mehr Details dazu im Infokasten). Schon damals waren die vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin bekannt. Zwei Basen pro Codon hätten insgesamt nur 16 (4 x 4) unterschiedliche Sequenzen ermöglicht – zu wenige, denn bereits in den 1950er-Jahren waren 20 Aminosäuren bekannt. Die meisten Wissenschaftler gingen deshalb von drei Basen pro Codon mit insgesamt 64 (4 x 4 x 4) möglichen Basentripletts aus. Welches Triplett hinter welcher Aminosäure steckt, war Mitte des 20. Jahrhunderts völlig offen.

Um diese Frage zu klären, starteten Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei 1961 an den National Institutes of Health (NIH) in Maryland, USA, das Poly-U-Experiment. Mit diesem Triplettbindungstest wollten sie herausfinden, welches Codon welcher Aminosäure entspricht. Dazu konstruierten die beiden Forscher künstliche „messenger RNA“ (mRNA), deren Sequenz sie kannten. Anschließend fügten sie alle Elemente hinzu, die – nach damaligem Forschungsstand – für die Synthese von Proteinen gebraucht werden: die 20 Aminosäuren und Ribosome, die „Proteinfabriken“ der Zelle. Je eine der 20 eingesetzten Aminosäuren markierten Matthaei und Nirenberg radioaktiv. Nach einiger Zeit filterten sie die Ribosomen mit den gebundenen Aminosäuren aus dem Gemisch heraus.

Die erste mRNA, die sie einsetzten, hatte die Basenfolge UUU – daher Poly-U-Versuch. Sie bestand also ausschließlich aus Uracil, der Base, die statt Thymin in der mRNA vorkommt. Nur wenn die Aminosäure Phenylalanin radioaktiv markiert wurde, befand sich das radioaktive Signal auf dem Filter. Phenylalanin musste also an die Ribosomen gebunden sein. Wurden andere Aminosäuren markiert, war das Filtrat radioaktiv, nicht aber der Filter. Das Basentriplett UUU musste also für die Aminosäure Phenylalanin stehen. Nirenberg und Matthaei zogen daraus folgenden Schluss: Passen Basentriplett und Aminosäure zusammen, findet eine Proteinbiosynthese statt und die mRNA wird in ein Protein umgeschrieben. Im Falle des Tripletts UUU bedeutet das, der Baustein Phenylalanin kommt ans Ende der im Bau befindlichen Bausteinkette. Dann folgen weitere Codes und so wird Baustein an Baustein zu einem Eiweiß zusammengesetzt.

Auf ihre Entdeckung aufbauend begannen Nirenberg und Matthaei mit der Identifizierung der übrigen Kombinationsmöglichkeiten. Dank ihrer und der Arbeit anderer Forscher waren im Jahr 1965 alle möglichen Tripletts entschlüsselt. Sie sind in der sogenannten Code-Sonne zusammengefasst (siehe Abbildung).

Susanne Theisen
Freie Journalistin in Köln
SusanneTheisen@gmx.net

INFO

Genetischer Code: Programmiersprache der Natur

Die wohl wichtigsten Bausteine aller Lebewesensind Proteine: hochkomplexe, langeKetten von Aminosäuren, die je nach Strukturund Zusammensetzung elementareAufgaben in den Zellen übernehmen. AlsEnzyme beschleunigen sie chemische Reaktionen,als Kanalproteine und Pumpenschaffen sie ein spezifisches Milieu im Zellinnerenund als Strukturproteine sorgen siefür Form und Stabilität von Zellen – ihre vielfältigenEinsatzbereiche sichern die Grundlagejeglicher biologischer Daseinsform. DerMensch ist mit der beachtlichen Zahl vonrund 100 000 verschiedenen Proteinen ausgestattet,die je nach Lebensphase, Funktionoder Ort synthetisiert werden müssen.Die Baupläne für die langkettigen Eiweißmolekülebefinden sich in den Zellkernen inden Chromosomen. Diese enthalten ihrerseitslange Aneinanderreihungen von einfachenkleinen Molekülen, den Desoxyribonukleotiden.Das Kettenmolekül, auch DNAStranggenannt, kann in einem einzelnenChromosom bis zu 250 Millionen Nukleotidelang sein. Jedes Nukleotid enthält einevon vier Basen: Adenin, Guanin, Cytosinoder Thymin. Diese Basen bilden wie Buchstabeneine codierte Information, welcheAminosäure der Proteinsyntheseapparatder Zelle verwenden soll. Die Kombinationvon drei Basen steht dabei für eine Aminosäure.Die Reihenfolge der Basen-Triplettsbestimmt auch die Abfolge der Aminosäurenin dem synthetisierten Protein.Mathematisch lässt sich leicht errechnen,wie viele Kombinationsmöglichkeiten einTriplett von vier unterschiedlichen Basen erlaubt:Vier hoch drei verschiedene Anordnungensind möglich, also 64 Einzelinformationenkönnte ein solcher Code transportieren.Das sind bei Weitem mehr alsbenötigt werden: Nur 20 verschiedeneAminosäuren spielen beim Menschen fürdie Proteinbiosynthese eine Rolle. Die Naturkann also mehrere Dreierkombinationeneiner einzelnen Aminosäure zuordnen. Socodiert die Basen-Reihe Adenin-Adenin-Adenin (AAA) genauso für die AminosäureLysin wie das Triplett Adenin-Adenin-Guanin(AAG). Neben den Informationen über dieeinzubauenden Aminosäuren braucht dieSynthesemaschinerie der Zelle aber auchAngaben über die Start- und Stoppstellenauf den langen Nukleinsäureketten. Vierverschiedene Tripletts signalisieren, von woan Informationen zur Proteinsynthese abgelesenbeziehungsweise wo der Übersetzungsvorgangabgebrochen werden soll.Erstaunlicherweise gilt dieser Code fürnahezu alle Lebewesen: Egal ob Mensch,Pflanze oder Mikrobe – die Sprache derGenetik unterscheidet sich nicht. WenigeAusnahmen finden sich lediglich in Mitochondrien,den „Kraftwerken der Zelle“. Intierischen Mitochondrien codiert beispielsweiseein bestimmtes Triplett für die AminosäureTryptophan, während die gleicheDreierkombination außerhalb der Zellorganellendas Signal zum Syntheseabbruch gibt.Vier Milliarden Jahre Evolution spiegeln sichheute im genetischen Code wider. Im Forschungsgebietder synthetischen Biologieversuchen Wissenschaftler diesen Code zumanipulieren, um Zellen mit ganz neuen Eigenschaftenauszustatten. So wurden jüngstim Bakterium E. Coli bestimmte seltene Basen-Tripletts komplett eliminiert und durchandere, die für dieselbe Aminosäure codieren,ersetzt. Wenn dann noch die Informationüber das ausgetauschte Triplett aus derProtein-Synthesemaschinerie verbannt wird,haben viele eindringende Viren mit ihrenkrank machenden Genen keine Chancemehr. Manipulationen des genetischenCodes sind besonders für die pharmazeutischeIndustrie ein interessantes Forschungsfeld:Mit einem ganz neuen Code, der stattdrei Basen vier Basen als Informationseinheiteinsetzt, ließen sich auch verschiedenekünstliche Aminosäuren zu neuen Proteinenzusammenbauen. Mehr als 200 unterschiedlicheAminosäuren könnte man so codieren,Eiweiße mit ganz neuen Eigenschaftenkönnten im Labor designt werden. Ersteveränderte Proteinsynthese-Maschinerienproduzierten bereits Moleküle, deren Bauplanmit einem Vierer-Code programmiertwar. Eine völlig neue Generation von Medikamentenscheint in greifbarer Nähe zu sein.

Mario Lips
Dudenstr. 34 , 10965 Berlin
mariolips@web.de



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