AUFBAU EINES ERSTAUNLICHEN MOLEKÜLS

Auf einer Schautafel wird erklärt, dass das Seil absolut platzsparend verpackt ist. Es ist ungefähr 2,5 Zentimeter dick und eng um Spulen gewickelt (4), die dafür sorgen, dass sich Knäuel innerhalb von Knäueln bilden. Die Knäuel werden von einer Art Gerüst zusammengehalten. Würde man das Seil von allen Chromosomenmodellen abwickeln und in seiner ganzen Länge hinlegen, würde es sich gut und gern über den halben Erdumfang erstrecken.a

In einem wissenschaftlichen Werk wird diese dichte Verpackung als „technisches Meisterstück“ bezeichnet.¹⁸ Kann man sich so etwas ohne Konstrukteur vorstellen? Angenommen, unser Museum hätte einen gigantischen Museumsshop mit Millionen von Verkaufsstücken, die so ordentlich arrangiert sind, dass man alles sofort findet. Würde man jemals auf die Idee kommen, das alles habe sich selbst organisiert? Doch so ein Ordnungskonzept wäre im Vergleich zur DNA-Verpackung das reinste Kinderspiel.

Eine Schautafel fordert uns auf, das Seil einmal in die Hand zu nehmen und es genauer zu betrachten (5). Dabei stellen wir fest, dass es kein gewöhnliches Seil ist. Es besteht aus zwei in sich gedrehten Strängen, die in gleichmäßigen Abständen von winzigen Stäbchen zusammengehalten werden. Das Seil ist wie eine gewundene Strickleiter geformt (6). Jetzt ist uns alles klar! Es ist das Modell eines DNA-Moleküls – eines der größten Rätsel des Lebens.

Das DNA-Molekül verdichtet sich mit all seinen Spulen und dem Gerüst zu Chromosomen. Die Sprossen der DNA-Leiter werden Basenpaare genannt (7). Worin besteht ihre Funktion? Wozu ist der ganze Aufbau da? Eine Schautafel liefert uns eine vereinfachte Erklärung.

EIN OPTIMALER DATENTRÄGER

Auf der Tafel steht, dass die Leitersprossen der Schlüssel zu den Geheimnissen der DNA sind. Durchtrennt man die Leiter in der Mitte, stehen von beiden Seiten Sprossenteile ab. Davon gibt es nur vier Typen: A, T, C und G. Wissenschaftler waren fasziniert, als sie entdeckten, dass die Reihenfolge dieser Buchstaben verschlüsselte Informationen liefert.

Im 19. Jahrhundert wurde das Morsealphabet für die Nachrichten­übermittlung per Telegraf erfunden. Dieses Alphabet bestand aus nur zwei Zeichen – Strich und Punkt –, mit denen man unzählige Wörter und Sätze bilden konnte. Die DNA besitzt wie gesagt ein Alphabet aus vier „Buchstaben“: A, T, C und G. Auch aus diesen Buchstaben werden „Wörter“ gebildet, Codons genannt. Die Codons fügen sich zu „Geschichten“ zusammen, den Genen. Ein Gen enthält in der Regel 27 000 Buchstaben. Die Gene und die dazwischenliegenden langen Abschnitte bilden „Kapitel“, die Chromosomen. Für das ganze „Buch“ – das Genom oder die gesamte Erbinformation eines Menschen – braucht man 23 Chromosomen.b

Das Genom besitzt eine gigantische Informationsfülle. Alles in allem besteht es aus rund drei Milliarden Basenpaaren oder Sprossen der DNA-Leiter.¹⁹ Zum Vergleich kann man sich einmal eine Enzyklopädie vorstellen, deren Einzelbände 1 000 Seiten umfassen. Das Genom würde 428 solcher Bände füllen. Nimmt man die zweite Ausfertigung hinzu, die in jeder Zelle vorhanden ist, kommt man auf 856 Bände. Müsste man das Genom abtippen, hätte man 80 Jahre lang einen gesicherten Vollzeitjob, allerdings ohne Urlaub.

Nach so einem Mammutprojekt müsste man jetzt auch noch diese riesige Datenmenge in jede der 100 Billionen mikroskopisch kleinen Zellen packen. So viel Information auf so engem Raum ist von unserer Vorstellungskraft Lichtjahre entfernt.

Ein Professor für Molekularbiologie und Informatik schreibt: „Ein Gramm DNA (ungefähr ein Kubikzentimeter im trockenen Zustand) enthält so viel Information wie eine Billion CDs.“²⁰ Was bedeutet das? Behalten wir im Sinn, dass in der DNA, genauer gesagt in den Genen, die Bauanleitung für jeden individuellen Menschen steckt. Und jede Zelle enthält einen kompletten Satz der Bauanleitung. Die Informationsdichte in der DNA ist so groß, dass man mit einem einzigen Teelöffel DNA die aktuelle Weltbevölkerung 350 Mal (!) nachbauen könnte. Die Menge, die man für die heute lebenden sieben Milliarden Menschen bräuchte, wäre lediglich ein hauchdünner Film auf einem Teelöffel.²¹

MASCHINEN AUF HOCHTOUREN

Während wir in Gedanken versunken dastehen, geht uns die Frage durch den Kopf, ob im Zellkern auch alles so starr angeordnet ist wie in dem Museum oder ob sich da etwas bewegt. Und schon fällt unser Blick auf einen Glaskasten mit dem Modell eines DNA-Abschnitts. Auf einem Hinweisschild steht: „Wenn Sie sich eine Vorführung ansehen möchten, drücken Sie bitte den Knopf.“ Nach dem Knopfdruck ertönt eine Stimme: „Die DNA ist der Hauptakteur bei mindestens zwei äußerst wichtigen Vorgängen. Einer davon ist die Replikation. Die DNA muss kopiert werden, damit jede neue Zelle eine komplette Abschrift derselben Erbinformation erhält. Schauen Sie sich dazu bitte die Simulation an.“

Aus einem Türchen kommt eine kompliziert aussehende Maschine. Eigentlich besteht sie aus mehreren miteinander verbundenen Robotern. Die Maschine wandert zur DNA, klinkt sich in den Strang ein und fährt darauf entlang wie ein Zug auf einem Gleis. Das Ganze geht zwar so schnell, dass man nicht genau sieht, was da passiert. Aber man erkennt deutlich, dass hinter der Maschine zwei komplette DNA-Stränge herauskommen.

Der Sprecher erklärt weiter: „Sie sehen hier eine stark vereinfachte Darstellung des Kopiervorgangs der DNA. Mehrere molekulare Maschinen – Enzyme – gleiten über die DNA, splitten sie in der Mitte und benutzen dann jeden der beiden Einzelstränge als Vorlage für einen neuen komplementären Strang. Wir können Ihnen leider nicht alle Einzelheiten zeigen. Zum Beispiel das Minigerät, das vor der Kopiermaschine herfährt und die DNA an einer Seite aufschneidet, sodass sie sich nur locker windet und nicht fest verdrillt. Auch können wir Ihnen nicht vorführen, wie die DNA mehrmals Korrektur gelesen wird. Fehler werden mit einer erstaunlich hohen Trefferquote entdeckt und korrigiert.“ (Siehe die Grafik auf Seite 16, 17.)

Als Nächstes hört man die Stimme sagen: „Was wir anschaulich machen können, ist die Geschwindigkeit. Wie Sie gesehen haben, hat der Roboter einen ziemlichen Zahn drauf. Die echte Enzymmaschine legt auf dem DNA-Gleis etwa 100 Sprossen oder Basenpaare in der Sekunde zurück.²³ Hätten die Schienen die Größe eines Eisenbahngleises, würde diese Maschine mit über 80 Kilometern in der Stunde darauf entlangrattern. Bei Bakterien geht das Ganze noch zehnmal schneller! In einer menschlichen Zelle verteilt sich eine Kolonne von Hunderten solcher Kopiermaschinen auf verschiedene Stellen der DNA-Strecke. Nach nur acht Stunden ist das Genom vollständig kopiert.“²⁴ (Siehe den Kasten „Ein Molekül wird gelesen und kopiert“ auf Seite 20.)

DIE DNA WIRD „GELESEN“

Die DNA-Kopierroboter verlassen den Schauplatz und eine andere Enzymmaschine rollt heran. Auch sie fährt auf der DNA entlang, nur langsamer. Wir beobachten, wie die DNA in der Maschine verschwindet und am anderen Ende völlig unverändert wieder herauskommt. Aus einer Extraöffnung in der Maschine tritt aber nach und nach ein neuer Einzelstrang hervor. Was passiert da?

Der Sprecher hat auch hierfür eine Erklärung: „Eine andere Aufgabe der DNA ist die Transkription. Die DNA verlässt nie ihren geschützten Platz im Zellkern. Wie können dann aber ihre Gene – die Rezepte für alle Proteine des menschlichen Körpers – jemals gelesen und genutzt werden? Die Enzymmaschine sucht sich eine Stelle auf der DNA, wo durch chemische Signale von außerhalb des Zellkerns ein Gen angeschaltet worden ist. Dann stellt die Enzymmaschine mithilfe eines Moleküls, der RNA (Ribonukleinsäure), eine Kopie dieses Gens her. RNA sieht ungefähr so aus wie ein DNA-Einzelstrang, setzt sich aber ganz anders zusammen. Aufgabe der RNA ist es, die in den Genen verschlüsselte Information abzulesen. Die RNA holt sich diese Information in der Enzymmaschine, verlässt anschließend den Zellkern und steuert ein Ribosom an, wo nach dieser Anleitung ein Protein gebaut wird.“

Mit immer größer werdenden Augen verfolgen wir das Ganze. Dieses Museum und der Einfallsreichtum seiner Architekten und Ingenieure beeindrucken uns gewaltig. Aber was wäre erst, wenn sich hier alles in Bewegung setzen würde und man die unzähligen Abläufe in der menschlichen Zelle gleichzeitig beobachten könnte? Was für ein unglaubliches Spektakel!

In diesem Moment wird uns klar, dass ja jetzt gerade lauter Miniaturmaschinen in den 100 Billionen Zellen unseres Körpers arbeiten! Unsere DNA wird pausenlos gelesen und liefert die Bauanleitung für Hunderttausende verschiedene Proteine – für Enzyme, Gewebe, Organe und so weiter. Sie wird rund um die Uhr kopiert und Korrektur gelesen, sodass in jeder neuen Zelle auch wieder eine komplette Bauanleitung zur Verfügung steht.