Wissenschaft im Dialog

Zucker, Phosphorsäure und vier organische Basen: In einem Zeitraum von vielen hundert Millionen Jahren haben sich diese chemischen Verbindungen zu einer Grundlage des Lebens auf der Erde verbunden – der DNA. Wie ist eine Zelle aufgebaut? Wie entstehen Hände oder Augen? Die desoxyribonuclein acid (DNA), oder Desoxyribonukleinsäure (DNS), liefert den Bauplan, in dem diese wichtigen Informationen gespeichert sind.

Die vier Basen
Der kleinste Baustein der DNA ist das Nukleotid. Es besteht aus drei chemischen Verbindungen: dem Zuckermolekül Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer der vier organischen Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Die Nukleotide bilden in der DNA die beiden Stränge der Doppelhelix, die sich wie eine Strickleiter um die eigene Achse dreht. Verbunden sind sie über die Basen, die wie Puzzleteile zusammenpassen: Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin.

Die DNA ist die Festplatte, die RNA die E-Mail
Die DNA ist sozusagen die Festplatte des Lebewesens, auf ihr sind alle wichtigen Erbinformationen gespeichert. Sie legt fest, wie ein Lebewesen aufgebaut ist und welche Eigenschaften es hat. Sie liefert den Bauplan für die Proteine, aus denen die verschiedenen Zellen der Lebewesen aufgebaut sind. Durch ihre chemischen Eigenschaften ist sie dazu bestens geeignet. Sie ist stabil und langlebig.
Die DNA befindet sich im Kern einer Zelle. Zur Zellteilung und für die Produktion der Proteine ist ein weiterer Helfer gefragt, die Ribonukleinsäure (ribonucleic acid oder RNA). Sie ist unter anderem für die Informationsübertragung zuständig, also gewissermaßen die E-Mail.

DNA vs. RNA
Die RNA hat anstatt der Base Cytosin den Baustein Uracil und ihr Zuckermolekül ist nicht so stabil wie das der DNA. So kann die RNA schneller abgebaut werden. Das ist vor allem bei der Informationsübertragung von der DNA in die RNA wichtig. Nachdem die Erbinformation von der DNA auf die RNA übertragen wurde, geht die RNA aus dem Zellkern in das umliegende Zytoplasma der Zelle über. Dort dient sie als Vorlage für die Produktion von Proteinen und wird anschließend auch wieder abgebaut.

Zwei Basen sind zwei Basen zu wenig
Die Proteine sind unter anderem die Baumaterialien der Zellen eines Lebewesens und erledigen dort verschiedene Arbeiten. Der Mensch hat 20 Aminosäuren, aus welchen sich Proteine zusammensetzen. Jede dieser Aminosäuren wird durch eine Kombination aus drei Nukleotiden, einem sogenannten Basentriplett, auf der RNA kodiert.
Eine Antwort auf die Frage, warum unsere DNA vier Nukleotide hat, ist also: Es existieren durch die vier DNA Bausteine insgesamt 4³ = 64 Möglichkeiten, die 20 Aminosäuren zu kodieren. Das ist vollkommen ausreichend. Mit nur zwei Basen (2³ Möglichkeiten) könnten nicht alle Aminosäuren kodiert werden und nicht alle Proteine herstellt werden, die Bausteine der menschlichen Zellen sind. Dies gilt übrigens auch für alle anderen bisher untersuchten Lebewesen. Keines kommt mit nur zwei Basen aus. Alle besitzen vier.

Je mehr Basen, desto langsamer der Prozess
Bestände unsere DNA aus mehr als vier Basen, würde sich das auf die Vielfalt der Proteine auswirken. Dadurch würde sich aber auch der Prozess der Vervielfältigung der DNA verlangsamen. Damit der Kopierprozess von DNA zu RNA gelingt, prüfen Enzyme jeden einzelnen Schritt. Enthielte die DNA mehr Basen, würde der Kopierprozess komplexer und zeitaufwändiger. Deshalb dürfte die Anzahl von vier Basen evolutionär von Vorteil gewesen sein. Es besteht einerseits eine ausreichende Vielfalt an Aminosäuren, um so komplexe Lebewesen wie den Menschen zu codieren, und andererseits ein Kopierprozess, der schnell und genau genug funktioniert.

Je mehr Basen, desto mehr Fehler können passieren
Denn beim Kopierprozess der DNA dürfen keine Fehler auftauchen. Dadurch können falsche Informationen bei der Proteinproduktion weitergegeben werden. In der Zelle funktionieren bestimmte Mechanismen nicht mehr oder nur noch fehlerhaft. Solche Mutationen können beispielsweise die Krebsentwicklung begünstigen. Kommen in der DNA weitere Nukleotide dazu, ist der chemische Prozess der Codierung komplexer, die Gefahr von Fehlern steigt.

Die DNA mit acht Basen
Dass DNA grundsätzlich auch mehr als vier verschiedene Nukleotide enthalten kann, zeigen Arbeiten des Teams um Steven Benner von der Foundation for Applied Molecular Evolution in Alachua, USA. Im Jahr 2019 stellte es eine künstliche DNA vor, die neben den vier „natürlichen“ Basen vier weitere enthält. Der Name Hachimoji-DNA nimmt darauf Bezug, denn er bedeutet in der Japanischen Sprache „Acht Buchstaben“. Allerdings kann diese Art von DNA nur im Reagenzglas erzeugt und nur im Labor in RNA kopiert werden.

 

Bei der Beantwortung dieser Frage hat uns Prof. Dr. Stephanie Kath-Schorr unterstützt. An der Universität zu Köln forscht sie im Grenzgebiet zwischen Organischer Synthesechemie, Chemischer Biologie und Biochemie. Dabei untersucht sie mit ihrem Team natürlich vorkommende Nukleinsäuren und stellt neue RNA-Moleküle her, die in der Diagnostik und Therapie eingesetzt werden können.

Redaktion: Johanna Helbing

 

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