Dear Michael. Jim Watson and I have made a most important discovery. We have built a model for the structure of desoxyribose nucleic acid called D.N.A. for short. You may remember that the genes of the chromosomes are made up of protein and D.N.A..
Jim Watson und ich haben eine höchst wichtige Entdeckung gemacht. Wir haben ein Modell gebaut für die Struktur der Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA genannt. Vielleicht erinnerst du dich: Die Gene auf den Chromosomen bestehen aus Protein und DNA.
So beginnt ein Brief, den der Physiker Francis Crick im März 1953 an seinen zwölfjährigen Sohn Michael im Internat schrieb. Was er darin ankündigte, gilt heute als wichtigste Entdeckung der Biologie im 20. Jahrhundert: Die Struktur der DNA, die Doppelhelix.
Peter Schüssler: "DNA ist für mich eines der faszinierendsten Moleküle überhaupt. Erstens ist es Milliarden von Jahren alt. Und es ist extrem stabil. Die Biologie, die Evolution hat hier eines der faszinierendsten Moleküle geschaffen."
Für das Leben ist die DNA unverzichtbar. Neuerdings nutzt aber auch die Technik die einzigartigen Eigenschaften des fadenförmigen Moleküls – als Baumaterial für die Nanotechnologie und in der Datenspeicherung.
DNA lässt sich in jeder Küche relativ einfach aus lebenden Zellen gewinnen. Es reicht eine Kartoffel oder eine Banane, Spülmittel, Salz und kalter Alkohol. Nach wenigen Arbeitsschritten erhält man eine klebrige Paste: die Essenz des Lebens, das Erbmaterial. Es ist überall: Im kleinsten Bakterium, im Mammutbaum, im Regenwurm und im Menschen. In jeder der Milliarden Zellen eines Menschen steckt ein zwei Meter langer Faden aus DNA.
Our structure is very beautiful. D.N.A. can be thought of roughly a very long chain with flat bits sticking out. The bits are called the "bases"…. Now the exciting thing is that while these are four different bases, we find that we can only put certain pairs of them together.
Unsere Struktur ist sehr schön. Man kann sich die DNA als sehr lange Kette vorstellen, aus der flache Erhebungen hervorragen. Diese werden "Basen" genannt. Das Aufregende dabei ist, dass es vier Basen gibt, von denen sich immer nur ganz bestimmte Basen als Paare zusammentun.
James Watson und Francis Crick vermuteten bereits 1953, dass die Reihenfolge der Basen die biologische Information codiert. "Wir haben das Geheimnis des Lebens entdeckt", jubelten die beiden, als sie gleich nach der Entdeckung in ihre Stammkneipe in Cambridge stürmten. Und sie sollten Recht behalten. Die DNA gilt heute als das zentrale Molekül der Biologie.
"Über Jahrmillionen hat es sich optimiert als Molekül für das Speichern der letztendlich wichtigsten Information, die uns auch als Menschen ausmacht: Die genetische Information."
Der Molekularbiologe Peter Schüssler vertritt als Geschäftsführer das US-Unternehmen Life Technologies in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Seine Firma verdient Geld unter anderem mit dem Lesen von Erbinformation, dem so genannten Sequenzieren.
"Wir können hier mittlerweile das menschliche Genom, wir reden von drei Milliarden Basen, innerhalb eines Tages auslesen, die komplette Sequenz analysieren. Und das Ganze im Kostenbereich von etwa 1000 Euro."
2001 wurde das menschliche Erbgut erstmals vollständig entziffert. Das Human Genome Project beschäftigte Tausende Wissenschaftler weltweit, dauerte über zehn Jahre und kostete mehrere Milliarden Dollar. Die Technik entwickelte sich rasant, wurde immer schneller und preiswerter. Und dann kam der Schritt vom Lesen zum Schreiben. Künstliche DNA gilt heute als Material der Zukunft. Ihr Code ist nicht mehr vorgegeben von der Natur. Er kann neu geschrieben werden.
Zwei Wissenschaftler sitzen an einem Tisch und spielen mit Legosteinen in vier Farben: Rot, blau, grün und gelb. Sie bauen einen Turm, und eine Kamera des kanadischen Discovery-Channels schaut zu.
"We have a four letter alphabet. We usually say A, C, G and T. Representing the four different types of DNA-bases."
Nick Goldman vom Europäischen Bioinformatik Institut auf dem Genom-Campus Hinxton bei Cambridge in England demonstriert mit seinem Lego-Baukasten, wie DNA künstlich zusammengesetzt wird.
"Statt der Buchstaben A, C, G und T benutzen wir Legosteine als Symbole für die vier Basen der DNA: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Und wenn ich jetzt die Legosteine in den verschiedenen Farben zu einem Turm zusammenstecke, dann entspricht das der Basensequenz in DNA-Molekülen."
Dass DNA nicht nur biologische Informationen speichern könnte, diese Idee kam Nick Goldman, als er nach einer ermüdenden Konferenz abends mit einem Kollegen an der Theke saß. Die beiden ließen ihren Gedanken freien Lauf, und es entstand die Idee vom Biomolekül als Datenträger.
"Ewan Birney und ich alberten herum in einer Hotelbar in Hamburg. Wir überlegten, was wir mit den riesigen Datenmengen anstellen sollen, die wir Tag für Tag in unserem Institut produzieren. Es müsste doch einen einfachen, preiswerten und haltbaren Datenspeicher geben. Da fiel uns die DNA ein, und das Projekt war geboren."
Sofort kritzelten die beiden erste Skizzen auf Servietten und Bierdeckel. Die Vorteile der DNA als Datenträger lagen auf der Hand. Goldman:
"Wichtig ist: DNA ist extrem klein. Viel Information lässt sich auf engstem Raum speichern. Außerdem ist sie sehr stabil. Über 10.000 Jahre alte Mammut-DNA lässt sich noch heute rekonstruieren. Und die Lagerung ist einfach: DNA braucht lediglich Dunkelheit und kühle Temperaturen."
Die schwerste Aufgabe bestand darin, einen Verschlüsselungs-Code zu entwickeln, mit dem sich die digitalen Computerdaten in DNA übersetzen ließen, in eine neue Schrift mit den vier Buchstaben A, T, G und C.
"Im Computer besteht jedes Byte aus acht Bits, also acht Nullen und Einsen. Daraus ergeben sich 256 Möglichkeiten pro Byte. Ein solches Byte speichert unser Code in Form von fünf oder sechs DNA-Basen. Das gibt uns genug Spielraum, um jede digitale Computer-Datei zu verschlüsseln."
Die einfachste Lösung hätte darin bestanden, Nullen als A und G zu übersetzen und Einsen als T und C. So hätte man jedoch die Möglichkeiten eines Viercodes nicht ausgenutzt. Außerdem entstünden beim Lesen immer wieder Fehler. Denn beim Lesen langer Ketten mit immer gleichen Basen machen die Lesegeräte die meisten Fehler. Wenn die DNA zum Beispiel 20 Mal A liefert, die Lesemaschine liest aber 21 Mal A, dann verschiebt sich das ganze Leseraster. Die Bioinformatiker Ewan Birney und Nick Goldman entwickelten deshalb einen Code, der so programmiert ist, dass er keine Wiederholungen zulässt. Um ihre Verschlüsselung zu testen und um das Verfahren zu erproben, wollten sie vier einfache Dateien als DNA abspeichern. Als richtige Engländer wählten sie zunächst eine Textdatei mit sämtlichen Sonetten von William Shakespeare.
Shall I compare thee to a summer's day?
Thou art more lovely and more temperate:
Rough winds do shake the darling buds of May.
Hinzu kamen ein Foto des Institutsgebäudes und eine pdf-Datei der berühmten Nature-Veröffentlichung von Watson und Crick aus dem Jahr 1953. Außerdem verschlüsselten sie eine Sound-Datei mit einem Redeausschnitt von Martin Luther King. Ein selbst geschriebenes Programm übersetzte den Computer-Code in DNA-Code. Diese Bauanleitung schickten sie per E-Mail an eine Spezialfirma in den USA. Die setzte die DNA-Moleküle zusammen. Und Ewan Birney und Nick Goldman mussten nur noch warten. Goldman:
"Die Informationsmenge aus dem Computer, die wir als DNA speichern ließen, betrug etwa ein Megabyte. Als wir die DNA von der Spezialfirma zugeschickt bekamen, erhielten wir ein kleines Eppendorf-Gefäß, nicht größer als die beiden oberen Glieder des kleinen Fingers. Und am Boden des Gefäßes befand sich – auf den ersten Blick unsichtbar – ein kleines Staubkorn mit der gespeicherten Information. Würden wir das Gefäß mit DNA füllen – das ist weniger als Ihr kleiner Finger – dann wäre das ein Petabyte Information. Das ist eine Eins mit 15 Nullen oder etwa eine Million CDs."
Eine andere Schätzung ergab, dass alle digitalen Informationen der Welt in einem halben Kubikmeter DNA Platz hätten. Man könnte die DNA problemlos in einen Kofferraum packen. Die große Frage aber lautete: Lässt sich die ursprüngliche Information wieder aus der DNA herauslesen? Nicht eingeweihte Kollegen aus Heidelberg übernahmen diese Aufgabe. Und tatsächlich: Die Heidelberger konnten die vier Dateien isolieren und übersetzen in digitalen Code. Die Rekonstruktion war erfolgreich.
Eine MP 3-Datei war als DNA verschlüsselt worden, dann verschickt und zurück übersetzt in den digitalen Code einer MP 3-Datei. Und sie klang genauso wie zuvor. Zur gleichen Zeit hatten auch Forscher in den USA Daten als DNA gespeichert. Sie verwendeten einen einfacheren Code und speicherten ein ganzes Sachbuch, das der Wissenschaftler George Church gemeinsam mit dem Autor Ed Regis geschrieben hatte. Sein Titel: Regenesis. (Wie die synthetische Biologie die Natur und uns selbst neu erfindet.) Schon der Anfang klingt spektakulär.
Imagine a future in which human beings have become immune to all viruses, in which bacteria can custom-produce everyday items… Building a house would entail no more work than planting a seed in the ground.
Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der die Menschen gegen alle Viren immun sind, eine Zukunft, in der Bakterien alle Alltagsgegenstände produzieren. Der Bau eines Hauses wäre nicht mehr Arbeit als das Ausbringen eines Samens.
Dass die DNA als Speichermedium geeignet ist, hat sie nun also bewiesen. Was noch fehlt, ist ein System, um die Daten so zu archivieren, dass sie jederzeit schnell und einfach zugänglich sind. Denn zur Lagerung würde die DNA gefriergetrocknet. Um sie zu lesen, müsste sie dann wieder in Flüssigkeit gelöst werden. Eine lebendige DNA-Bibliothek zu entwickeln, ist eine Aufgabe für die nächsten Jahrzehnte. Der Bedarf für ein solches DNA-Archiv sei auf jeden Fall gegeben, meint Nick Goldman. Dort könne man alle wichtigen Daten der Menschheit lagern. Sie würden auch dann noch existieren, wenn der Rest der digitalen Kultur für immer verloren wäre.
"Wenn eine Produktionsfirma einen Kinofilm dauerhaft archivieren möchte, dann tut sie das immer noch in Form von Filmrollen. Denn das ist eine bewährte Form der Sicherung. Sie wissen, wie man das macht und können sich darauf verlassen, dass der Film jahrzehntelang oder sogar über 100 Jahre erhalten bleibt. Auf die derzeitige Digitaltechnik können sie sich nicht verlassen. Deshalb hat sich bereits eine Firma für Filmtechnologie an uns gewandt. Sie wollen wissen, ob sich auf DNA ein Film dauerhaft digital speichern lässt."
Die Antwort lautet: Im Prinzip, ja. Denn es gibt Firmen, die sich auf die Produktion definierter DNA-Fäden spezialisiert haben. Weltmarktführer ist die Firma Geneart im bayerischen Regensburg. Sie gehört seit zweieinhalb Jahren zum US-Unternehmen Life Technologies. Marcus Graf ist Mitgründer der Firma und Leiter der Produktion.
"Wir sind schneller und besser. Günstiger. Ich sage es Ihnen ganz ehrlich: Ein einzelnes synthetisches Gen, das kann jeder gute Molekularbiologe herstellen. Tausende von Genen sehr kostengünstig und sehr schnell, das ist eine hohe Kunst. Dazu braucht man Industrie-Knowhow, Automation und eigene Geräte und Prozesswissen, um das überhaupt darstellen zu können."
Die meisten Kunden der Geneart AG sind Forschungs-Institute, Biotechnologie- oder Pharmaunternehmen. Meist bestellen sie kleinere DNA-Stücke mit etwa 50 Basen, so genannte Oligonukleotide, zunehmend aber auch ganze Gene mit mehr als 1000 Basen. Um die Nachfrage zu befriedigen hat Geneart die Gen-Produktion in den letzten Jahren immer weiter automatisiert. Im Innern von Glaskästen bewegen sich kleine Fließbänder und Roboterarme. Marcus Graf:
"Die DNA muss synthetisiert werden. Dazu brauchen wir Startermaterial. Eine Starterplatte. Diese Maschine hier fügt Filtermaterial in diese Platte ein, dann geben wir Startermaterial darauf. Das ist im Prinzip hochporöses Glas, wo der erste Baustein schon aufgebracht worden ist. Und das können wir dann in die tatsächlichen DNA-Synthesemaschinen einbringen."
Der eigentliche Produktionsraum wird immer wieder umgebaut und erneuert. Denn die Konkurrenz schläft nicht und nur wer die neueste Technik für sich arbeiten lässt, kann auf dem Weltmarkt bestehen. Graf:
"Das sind die so genannten Cerberus-Synthesemaschinen. Die können 400 Oligonukleotide, also DNA-Grundbausteine parallel synthetisieren und brauchen dafür sieben bis acht Stunden. Wir haben über zwanzig von diesen Geräten. Hier an der Seite sehen Sie in Flaschen die einzelnen Bausteine der DNA: C, A, T und G. Das sind Ein-Liter-Flaschen, sehr teure Reagenzien, die wir extern einkaufen. Die langen für ungefähr zwei Syntheseläufe."
Der Kunde bestellt vom heimischen Computer aus eine konkrete DNA -Sequenz und erhält schon nach einigen Tagen die Lieferung aus Regensburg. Jede einzelne Base muss stimmen. Darauf ist Marcus Graf besonders stolz.
"Und die DNA-Sequenz, die da heraus kommt, wird verglichen mit den Sequenzen, wie sie in den Datenbanken ist. Und nur wenn sie zu 100 Prozent übereinstimmt, wird die Sequenz an den Kunden ausgeliefert."
Die Produktion der Gen-Fabrik steigt von Jahr zu Jahr, und die Kosten sinken. Im Jahr 2000 kostete synthetische DNA noch umgerechnet sieben Dollar pro Base. Heute sind es etwa 35 Cent. Der Preis für ein Gen aus 1000 Basen sank also von 7000 Dollar auf 350 Dollar. Für Forscher, die ein synthetisches Gen brauchen, ist das akzeptabel. Für die Datenspeicherung kaum. Ein Megabyte Information mit sechs Millionen Basen würde mehr als zwei Millionen Dollar kosten. Und ein Megabyte Speicherplatz reicht gerade einmal für ein hoch aufgelöstes Foto oder eine kleine Audiodatei, wie diese von Peter Schüssler von Life Technologies.
"Ich persönlich glaube daran, dass sich etwas in dieser Richtung entwickeln wird, dass chemische Speicherung in Zukunft eine Rolle spielen wird, weil sie einfach diese Stabilität hat. Möglicherweise mit DNA, weil es das biologisch stabilste und am längsten über die Evolution entwickelte Speichermedium ist. Ob es die natürliche DNA ist oder modifizierte DNA, das wird die Zukunft zeigen. Aber das Potential ist da."
Mehrere Quantensprünge sind noch notwendig, um DNA als Datenspeicher marktfähig zu machen. Aber wenn der Preisverfall im gleichen Tempo weiter läuft wie bisher, könnte es in 20 oder 30 Jahren soweit sein.
Kleine synthetische DNA-Schnipsel mit 20 bis 50 Basen finden heute schon Verwendung außerhalb der Forschung. Zum Beispiel beim so genannten Tagging, der individuellen Kennzeichnung von Wertgegenständen oder Gebrauchsgütern. Peter Schüssler:
"Da werden Produkte wie Geldscheine markiert, aber auch Waren wie Kleidungsstücke. Es wird aber auch Öl markiert, so dass ich die Herkunft von Öl identifizieren kann. Und auch hier trägt DNA viele Vorteile gegenüber anderen Methoden, weil sie in vielen Medien stabil ist und in kleinsten Mengen nachgewiesen werden kann."
Die DNA verrät, woher das Öl kam oder wo die Kleidungsstücke hergestellt wurden, erklärt Peter Schüssler von Life Technologies. Schmugglern oder Produktpiraten soll so das Leben schwer gemacht werden.
"Sobald ich ein kurzes Fragment nur habe bin ich schon durch diese Vierfach-Codierung pro Stufe sehr individuell, sehr spezifisch. Das heißt: Mit einem kurzen DNA-Stück von nur zehn oder 20 Basen bin ich schon sehr genau. Viel komplexer als zum Beispiel ein 3D-Bar-Code."
Immer wichtiger wird auch eine andere Anwendung von DNA. Sie ist zwar noch nicht im allgemeinen Gebrauch, erfreut sich aber unter Forschern wachsender Beliebtheit: Das Bauen mit DNA-Schnipseln in der Nanotechnologie.
"DNA ist eben sehr stabil, chemisch sehr gut verstanden. Die Grundbausteine für die tägliche Arbeit, die kann man einfach kaufen."
Henrik Dietz ist Experimentalphysiker. Als Professor für Biophysik lehrt und forscht er an der Technischen Universität München in Garching. Und er ist einer der führenden DNA-Baumeister.
"Für diese Fertigungstechnik brauchen wir eigentlich nur so genannte Oligonukleotide. Die müssen gar nicht so lang sein. Das sind DNA-Moleküle mit 40 bis 50 Basen. Das ist quasi Standard. Das kann man bei 100 verschiedenen Herstellern einfach bestellen. Man schickt denen einfach eine E-Mail mit der gewünschten Sequenz und einen Tag später hat man einen kleinen Puffertropfen, einen Tropfen Lösung, mit dem gewünschten Molekül im Briefkasten."
Das Bauen mit DNA beginnt am Computerbildschirm. Es geht darum, mit einem einzelnen Faden eine Form zu schaffen. So ähnlich wie beim Zeichnen eines Hauses, ohne den Stift abzusetzen und ohne eine Linie doppelt zu ziehen: Jedes Grundschulkind kennt das: "Das – ist – das – Haus – vom - Ni – ko – laus – mit – An – bau – und – Toi – let - ten – haus."
"Also Sie stellen sich eine gewünschte Struktur vor und finden dann ähnlich wie in diesem Kinderspiel, dem Haus vom Nikolaus, einen Weg, auf dem Sie dann einen langen Schussfaden oder ein langes Molekül auf der Nanometerskala durch die gewünschte Struktur hindurch fädeln können. Das stellen Sie sich erst einmal gedanklich vor. Sie finden diesen Pfad. Dann im nächsten Schritt fügen Sie weitere Fäden hinzu, die dann den Weg des langen Schussfadens im Raum dreidimensional stabilisieren. Sie kleben ihn an verschiedenen Positionen fest. Dann bleibt er in dieser dreidimensionalen Form einfach sozusagen stehen."
Damit sich die DNA nach Plan formt, muss sie eine bestimmte Basensequenz haben. Die Reihenfolge der Basen bestimmt an welchen festgelegten Stellen die DNA bei bestimmten Temperaturen Winkel, Kurven oder Schleifen bildet. Dazu brauchen die Nanotechnologen keinerlei Werkzeuge. So kleine Hilfsmittel gibt es auch gar nicht. Die DNA findet gewissermaßen von selbst ihre Form. Dietz:
"Stellen Sie sich vor: Sie nehmen ein Auto, zerlegen es in seine 1000 Komponenten, legen es in einen großen Wasserbottich, rühren einmal und plötzlich setzt sich das Auto wieder zusammen. So ähnlich ist das, und es funktioniert komischerweise."
Nach einer japanischen Falttechnik wird das Bauen mit Erbmaterial auch als DNA-Origami bezeichnet. Dabei falten die Forscher die DNA eigentlich nicht. Sie konstruieren sie so, dass sie sich unter bestimmten Voraussetzungen von selbst wie gewünscht krümmt. Damit die Selbstorganisation funktioniert, muss die Temperatur stimmen. Dabei geht es um kleinste Temperaturunterschiede. So kommt es vor, dass der DNA-Faden bei 54 Grad Celsius ein wirres Knäuel bildet. Dann lassen die Forscher die Temperatur langsam absinken. Und bei 52 Grad entsteht die Konstruktion. Und sie bleibt so, weil die Fäden der DNA sich gegenseitig stabilisieren. Und das alles im Größenbereich von wenigen Nanometern – also Millionstel Millimeter. Anschließend wird nachgeschaut, ob die Form stimmt, am besten unter dem Elektronenmikroskop. Henrik Dietz und sein Team haben so ihr Verfahren immer weiter perfektioniert.
"Niemand kann auf dieser Längenskala mit dieser Präzision bauen, wie wir es jetzt können. Und zwar nur durch Selbstorganisation mit DNA."
Zunächst haben die Nanotechnologen von der TU München einfache Strukturen und Linien gebaut, dann Plättchen, Röhren, kleine Pyramiden oder Zahnräder. Nun werden ihre Konstruktionen immer komplizierter. Dietz:
"Ein anderes Objekt, das wir gebaut haben, ist quasi eine nanoskalige Spritze. Sieht aus wie eine Spritze, nur eben 2,5 Millionen Mal verkleinert. Sie hat eine kleine Kanüle, die in der Lage ist, durch eine Zellmembran hindurch zu stechen. Und diese Struktur können wir eben bauen aus DNA."
Mit dieser winzigen Spritze ließen sich Wirkstoffe in einzelne Zellen hineinspritzen. So etwas könnte in Zukunft für die Medizin interessant sein, glauben die Forscher. Und sie wollen noch mehr. Bald sollen kleinste Gebilde entstehen, die ebenso filigran sind, wie natürliche Strukturen innerhalb unserer Zellen. Sie könnten ähnlich funktionieren wie natürliche Enzyme und verschiedene Aufgaben in den Zellen eines Menschen übernehmen. Zum Beispiel: Schädliche Ablagerungen im Gehirn von Alzheimer-Patienten beseitigen. Auch in der Technik werden sich Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Die ganze Computer- und Kommunikationstechnik könnte in zehn oder zwanzig Jahren von Silizium auf DNA umgestellt werden. Schließlich müssen die einzelnen Bauteile in dieser Branche immer kleiner und leistungsstärker werden. Und kein anderes Material ist so fein und zugleich so stabil wie die DNA-Doppelhelix. Als Grundstoff reicht ein Tropfen mit gelöster DNA. Die Möglichkeiten scheinen unbegrenzt. Und dennoch gibt es Wissenschaftler, denen auch das noch nicht reicht.
Am Stadtrand der Universitätsstadt Cambridge steht direkt an der Francis Crick Avenue ein moderner, fünfstöckiger Forschungspalast. Der Neubau des traditionsreichen MRC-Labors für Molekularbiologie. Philipp Holliger entwickelt hier den Baustoff der nächsten Generation.
"Wir haben eine Reihe von DNA-Analoga hergestellt, die wir XNA nennen. Das X steht für Xeno, fremd. Dazu haben wir das Rückgrat der DNA verändert. Wenn man sich die DNA als verdrillte Leiter vorstellt, dann sind es nicht die Leitersprossen, die Basen, die wir verändert haben, sondern die Holme der Leiter. Dort befinden sich Zucker. Sie bilden das Gerüst, sorgen dafür, dass die Basen am richtigen Ort bleiben."
Statt Desoxyribose oder Ribose wie in der DNA besitzt die XNA andere Zucker wie Arabinose oder Cyclohexenyl. Damit sich diese unnatürlichen Erbmoleküle auch umschreiben und kopieren lassen, musste Philipp Holliger neuartige Enzyme entwickeln. Denn die natürlichen Enzyme sind nun einmal auf DNA spezialisiert.
"Wir brauchen ein Enzym, das die XNA schreibt, und ein anderes Enzym, das die XNA liest. Die Umwandlung muss in beide Richtungen erfolgen: Von der DNA zur XNA und zurück von der XNA zur DNA. So lässt sich XNA lesen und schreiben."
Einige der XNA-Moleküle sind stabiler als DNA. Als Datenträger sind sie ebenso gut geeignet wie DNA, oder sogar besser. Ihre Herstellung ist allerdings noch teurer. Aber XNA hat einen entscheidenden Vorteil: Im Gegensatz zu ihren natürlichen Verwandten gibt es keine natürlichen Enzyme, die sie knacken und abbauen können. Das macht sie interessant für die Medizin. Holliger:
"Das Rückgrat einiger XNA-Moleküle ist so fremdartig, dass es im Körper nicht abgebaut werden kann, oder nur extrem langsam. Denn dem Körper fehlen die notwendigen Enzyme. Deshalb sind speziell geformte Wirkstoffe aus XNA im Körper viel langlebiger als natürliche Stoffe und könnten in Zukunft als neuartige biomolekulare Wirkstoffe verwendet werden."
Auch für den Baukasten der Nanotechnologen stellt XNA eine wichtige Bereicherung dar. Auch sie formt sich selbst und ist äußerst stabil. Sie hat die gleichen Eigenschaften wie DNA und ist doch anders. Mit ihr wird das Leben auf der Erde gewissermaßen zum zweiten Mal erfunden. Irgendwo im Weltraum könnte XNA die Rolle der DNA übernommen haben. Holliger:
"Wenn wir nach außerirdischem Leben suchen, müssen wir uns bewusst sein, dass fremde Organismen verschiedene Erbmoleküle nutzen können. Das könnte XNA sein, aber auch noch etwas viel Fremderes. Die DNA ist nicht einzigartig."
Alles hätte auch ganz anders kommen können. Doch auf der Erde ist DNA nun einmal die Basis allen Lebens, und jetzt wird sie außerdem zum Grundstoff einer neuen Technologie. Irgendwann könnte die stabile Doppelhelix sogar die Siliziumwelt der Computerchips ablösen. Von all dem ahnte Francis Crick noch nichts. Er hatte die Tür in die DNA-Welt gerade erst einen Spalt weit geöffnet. Es gab nur ein einziges Modell der Doppelhelix aus Draht und Pappe, und das stand im Büro an der Universität Cambridge auf dem Schreibtisch von Francis Crick.
Dear Michael. You can understand that we are very excited. Read this carefully so that you understand it. When you come home we will show you the model.
Du kannst dir vorstellen, wie aufgeregt wir sind. Lies dies bitte sorgfältig, dann wirst du es verstehen. Sobald du nach Hause kommst, zeigen wir dir das Modell.
Lots of love, Daddy.
Jim Watson und ich haben eine höchst wichtige Entdeckung gemacht. Wir haben ein Modell gebaut für die Struktur der Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA genannt. Vielleicht erinnerst du dich: Die Gene auf den Chromosomen bestehen aus Protein und DNA.
So beginnt ein Brief, den der Physiker Francis Crick im März 1953 an seinen zwölfjährigen Sohn Michael im Internat schrieb. Was er darin ankündigte, gilt heute als wichtigste Entdeckung der Biologie im 20. Jahrhundert: Die Struktur der DNA, die Doppelhelix.
Peter Schüssler: "DNA ist für mich eines der faszinierendsten Moleküle überhaupt. Erstens ist es Milliarden von Jahren alt. Und es ist extrem stabil. Die Biologie, die Evolution hat hier eines der faszinierendsten Moleküle geschaffen."
Für das Leben ist die DNA unverzichtbar. Neuerdings nutzt aber auch die Technik die einzigartigen Eigenschaften des fadenförmigen Moleküls – als Baumaterial für die Nanotechnologie und in der Datenspeicherung.
DNA lässt sich in jeder Küche relativ einfach aus lebenden Zellen gewinnen. Es reicht eine Kartoffel oder eine Banane, Spülmittel, Salz und kalter Alkohol. Nach wenigen Arbeitsschritten erhält man eine klebrige Paste: die Essenz des Lebens, das Erbmaterial. Es ist überall: Im kleinsten Bakterium, im Mammutbaum, im Regenwurm und im Menschen. In jeder der Milliarden Zellen eines Menschen steckt ein zwei Meter langer Faden aus DNA.
Our structure is very beautiful. D.N.A. can be thought of roughly a very long chain with flat bits sticking out. The bits are called the "bases"…. Now the exciting thing is that while these are four different bases, we find that we can only put certain pairs of them together.
Unsere Struktur ist sehr schön. Man kann sich die DNA als sehr lange Kette vorstellen, aus der flache Erhebungen hervorragen. Diese werden "Basen" genannt. Das Aufregende dabei ist, dass es vier Basen gibt, von denen sich immer nur ganz bestimmte Basen als Paare zusammentun.
James Watson und Francis Crick vermuteten bereits 1953, dass die Reihenfolge der Basen die biologische Information codiert. "Wir haben das Geheimnis des Lebens entdeckt", jubelten die beiden, als sie gleich nach der Entdeckung in ihre Stammkneipe in Cambridge stürmten. Und sie sollten Recht behalten. Die DNA gilt heute als das zentrale Molekül der Biologie.
"Über Jahrmillionen hat es sich optimiert als Molekül für das Speichern der letztendlich wichtigsten Information, die uns auch als Menschen ausmacht: Die genetische Information."
Der Molekularbiologe Peter Schüssler vertritt als Geschäftsführer das US-Unternehmen Life Technologies in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Seine Firma verdient Geld unter anderem mit dem Lesen von Erbinformation, dem so genannten Sequenzieren.
"Wir können hier mittlerweile das menschliche Genom, wir reden von drei Milliarden Basen, innerhalb eines Tages auslesen, die komplette Sequenz analysieren. Und das Ganze im Kostenbereich von etwa 1000 Euro."
2001 wurde das menschliche Erbgut erstmals vollständig entziffert. Das Human Genome Project beschäftigte Tausende Wissenschaftler weltweit, dauerte über zehn Jahre und kostete mehrere Milliarden Dollar. Die Technik entwickelte sich rasant, wurde immer schneller und preiswerter. Und dann kam der Schritt vom Lesen zum Schreiben. Künstliche DNA gilt heute als Material der Zukunft. Ihr Code ist nicht mehr vorgegeben von der Natur. Er kann neu geschrieben werden.
Zwei Wissenschaftler sitzen an einem Tisch und spielen mit Legosteinen in vier Farben: Rot, blau, grün und gelb. Sie bauen einen Turm, und eine Kamera des kanadischen Discovery-Channels schaut zu.
"We have a four letter alphabet. We usually say A, C, G and T. Representing the four different types of DNA-bases."
Nick Goldman vom Europäischen Bioinformatik Institut auf dem Genom-Campus Hinxton bei Cambridge in England demonstriert mit seinem Lego-Baukasten, wie DNA künstlich zusammengesetzt wird.
"Statt der Buchstaben A, C, G und T benutzen wir Legosteine als Symbole für die vier Basen der DNA: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Und wenn ich jetzt die Legosteine in den verschiedenen Farben zu einem Turm zusammenstecke, dann entspricht das der Basensequenz in DNA-Molekülen."
Dass DNA nicht nur biologische Informationen speichern könnte, diese Idee kam Nick Goldman, als er nach einer ermüdenden Konferenz abends mit einem Kollegen an der Theke saß. Die beiden ließen ihren Gedanken freien Lauf, und es entstand die Idee vom Biomolekül als Datenträger.
"Ewan Birney und ich alberten herum in einer Hotelbar in Hamburg. Wir überlegten, was wir mit den riesigen Datenmengen anstellen sollen, die wir Tag für Tag in unserem Institut produzieren. Es müsste doch einen einfachen, preiswerten und haltbaren Datenspeicher geben. Da fiel uns die DNA ein, und das Projekt war geboren."
Sofort kritzelten die beiden erste Skizzen auf Servietten und Bierdeckel. Die Vorteile der DNA als Datenträger lagen auf der Hand. Goldman:
"Wichtig ist: DNA ist extrem klein. Viel Information lässt sich auf engstem Raum speichern. Außerdem ist sie sehr stabil. Über 10.000 Jahre alte Mammut-DNA lässt sich noch heute rekonstruieren. Und die Lagerung ist einfach: DNA braucht lediglich Dunkelheit und kühle Temperaturen."
Die schwerste Aufgabe bestand darin, einen Verschlüsselungs-Code zu entwickeln, mit dem sich die digitalen Computerdaten in DNA übersetzen ließen, in eine neue Schrift mit den vier Buchstaben A, T, G und C.
"Im Computer besteht jedes Byte aus acht Bits, also acht Nullen und Einsen. Daraus ergeben sich 256 Möglichkeiten pro Byte. Ein solches Byte speichert unser Code in Form von fünf oder sechs DNA-Basen. Das gibt uns genug Spielraum, um jede digitale Computer-Datei zu verschlüsseln."
Die einfachste Lösung hätte darin bestanden, Nullen als A und G zu übersetzen und Einsen als T und C. So hätte man jedoch die Möglichkeiten eines Viercodes nicht ausgenutzt. Außerdem entstünden beim Lesen immer wieder Fehler. Denn beim Lesen langer Ketten mit immer gleichen Basen machen die Lesegeräte die meisten Fehler. Wenn die DNA zum Beispiel 20 Mal A liefert, die Lesemaschine liest aber 21 Mal A, dann verschiebt sich das ganze Leseraster. Die Bioinformatiker Ewan Birney und Nick Goldman entwickelten deshalb einen Code, der so programmiert ist, dass er keine Wiederholungen zulässt. Um ihre Verschlüsselung zu testen und um das Verfahren zu erproben, wollten sie vier einfache Dateien als DNA abspeichern. Als richtige Engländer wählten sie zunächst eine Textdatei mit sämtlichen Sonetten von William Shakespeare.
Shall I compare thee to a summer's day?
Thou art more lovely and more temperate:
Rough winds do shake the darling buds of May.
Hinzu kamen ein Foto des Institutsgebäudes und eine pdf-Datei der berühmten Nature-Veröffentlichung von Watson und Crick aus dem Jahr 1953. Außerdem verschlüsselten sie eine Sound-Datei mit einem Redeausschnitt von Martin Luther King. Ein selbst geschriebenes Programm übersetzte den Computer-Code in DNA-Code. Diese Bauanleitung schickten sie per E-Mail an eine Spezialfirma in den USA. Die setzte die DNA-Moleküle zusammen. Und Ewan Birney und Nick Goldman mussten nur noch warten. Goldman:
"Die Informationsmenge aus dem Computer, die wir als DNA speichern ließen, betrug etwa ein Megabyte. Als wir die DNA von der Spezialfirma zugeschickt bekamen, erhielten wir ein kleines Eppendorf-Gefäß, nicht größer als die beiden oberen Glieder des kleinen Fingers. Und am Boden des Gefäßes befand sich – auf den ersten Blick unsichtbar – ein kleines Staubkorn mit der gespeicherten Information. Würden wir das Gefäß mit DNA füllen – das ist weniger als Ihr kleiner Finger – dann wäre das ein Petabyte Information. Das ist eine Eins mit 15 Nullen oder etwa eine Million CDs."
Eine andere Schätzung ergab, dass alle digitalen Informationen der Welt in einem halben Kubikmeter DNA Platz hätten. Man könnte die DNA problemlos in einen Kofferraum packen. Die große Frage aber lautete: Lässt sich die ursprüngliche Information wieder aus der DNA herauslesen? Nicht eingeweihte Kollegen aus Heidelberg übernahmen diese Aufgabe. Und tatsächlich: Die Heidelberger konnten die vier Dateien isolieren und übersetzen in digitalen Code. Die Rekonstruktion war erfolgreich.
Eine MP 3-Datei war als DNA verschlüsselt worden, dann verschickt und zurück übersetzt in den digitalen Code einer MP 3-Datei. Und sie klang genauso wie zuvor. Zur gleichen Zeit hatten auch Forscher in den USA Daten als DNA gespeichert. Sie verwendeten einen einfacheren Code und speicherten ein ganzes Sachbuch, das der Wissenschaftler George Church gemeinsam mit dem Autor Ed Regis geschrieben hatte. Sein Titel: Regenesis. (Wie die synthetische Biologie die Natur und uns selbst neu erfindet.) Schon der Anfang klingt spektakulär.
Imagine a future in which human beings have become immune to all viruses, in which bacteria can custom-produce everyday items… Building a house would entail no more work than planting a seed in the ground.
Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der die Menschen gegen alle Viren immun sind, eine Zukunft, in der Bakterien alle Alltagsgegenstände produzieren. Der Bau eines Hauses wäre nicht mehr Arbeit als das Ausbringen eines Samens.
Dass die DNA als Speichermedium geeignet ist, hat sie nun also bewiesen. Was noch fehlt, ist ein System, um die Daten so zu archivieren, dass sie jederzeit schnell und einfach zugänglich sind. Denn zur Lagerung würde die DNA gefriergetrocknet. Um sie zu lesen, müsste sie dann wieder in Flüssigkeit gelöst werden. Eine lebendige DNA-Bibliothek zu entwickeln, ist eine Aufgabe für die nächsten Jahrzehnte. Der Bedarf für ein solches DNA-Archiv sei auf jeden Fall gegeben, meint Nick Goldman. Dort könne man alle wichtigen Daten der Menschheit lagern. Sie würden auch dann noch existieren, wenn der Rest der digitalen Kultur für immer verloren wäre.
"Wenn eine Produktionsfirma einen Kinofilm dauerhaft archivieren möchte, dann tut sie das immer noch in Form von Filmrollen. Denn das ist eine bewährte Form der Sicherung. Sie wissen, wie man das macht und können sich darauf verlassen, dass der Film jahrzehntelang oder sogar über 100 Jahre erhalten bleibt. Auf die derzeitige Digitaltechnik können sie sich nicht verlassen. Deshalb hat sich bereits eine Firma für Filmtechnologie an uns gewandt. Sie wollen wissen, ob sich auf DNA ein Film dauerhaft digital speichern lässt."
Die Antwort lautet: Im Prinzip, ja. Denn es gibt Firmen, die sich auf die Produktion definierter DNA-Fäden spezialisiert haben. Weltmarktführer ist die Firma Geneart im bayerischen Regensburg. Sie gehört seit zweieinhalb Jahren zum US-Unternehmen Life Technologies. Marcus Graf ist Mitgründer der Firma und Leiter der Produktion.
"Wir sind schneller und besser. Günstiger. Ich sage es Ihnen ganz ehrlich: Ein einzelnes synthetisches Gen, das kann jeder gute Molekularbiologe herstellen. Tausende von Genen sehr kostengünstig und sehr schnell, das ist eine hohe Kunst. Dazu braucht man Industrie-Knowhow, Automation und eigene Geräte und Prozesswissen, um das überhaupt darstellen zu können."
Die meisten Kunden der Geneart AG sind Forschungs-Institute, Biotechnologie- oder Pharmaunternehmen. Meist bestellen sie kleinere DNA-Stücke mit etwa 50 Basen, so genannte Oligonukleotide, zunehmend aber auch ganze Gene mit mehr als 1000 Basen. Um die Nachfrage zu befriedigen hat Geneart die Gen-Produktion in den letzten Jahren immer weiter automatisiert. Im Innern von Glaskästen bewegen sich kleine Fließbänder und Roboterarme. Marcus Graf:
"Die DNA muss synthetisiert werden. Dazu brauchen wir Startermaterial. Eine Starterplatte. Diese Maschine hier fügt Filtermaterial in diese Platte ein, dann geben wir Startermaterial darauf. Das ist im Prinzip hochporöses Glas, wo der erste Baustein schon aufgebracht worden ist. Und das können wir dann in die tatsächlichen DNA-Synthesemaschinen einbringen."
Der eigentliche Produktionsraum wird immer wieder umgebaut und erneuert. Denn die Konkurrenz schläft nicht und nur wer die neueste Technik für sich arbeiten lässt, kann auf dem Weltmarkt bestehen. Graf:
"Das sind die so genannten Cerberus-Synthesemaschinen. Die können 400 Oligonukleotide, also DNA-Grundbausteine parallel synthetisieren und brauchen dafür sieben bis acht Stunden. Wir haben über zwanzig von diesen Geräten. Hier an der Seite sehen Sie in Flaschen die einzelnen Bausteine der DNA: C, A, T und G. Das sind Ein-Liter-Flaschen, sehr teure Reagenzien, die wir extern einkaufen. Die langen für ungefähr zwei Syntheseläufe."
Der Kunde bestellt vom heimischen Computer aus eine konkrete DNA -Sequenz und erhält schon nach einigen Tagen die Lieferung aus Regensburg. Jede einzelne Base muss stimmen. Darauf ist Marcus Graf besonders stolz.
"Und die DNA-Sequenz, die da heraus kommt, wird verglichen mit den Sequenzen, wie sie in den Datenbanken ist. Und nur wenn sie zu 100 Prozent übereinstimmt, wird die Sequenz an den Kunden ausgeliefert."
Die Produktion der Gen-Fabrik steigt von Jahr zu Jahr, und die Kosten sinken. Im Jahr 2000 kostete synthetische DNA noch umgerechnet sieben Dollar pro Base. Heute sind es etwa 35 Cent. Der Preis für ein Gen aus 1000 Basen sank also von 7000 Dollar auf 350 Dollar. Für Forscher, die ein synthetisches Gen brauchen, ist das akzeptabel. Für die Datenspeicherung kaum. Ein Megabyte Information mit sechs Millionen Basen würde mehr als zwei Millionen Dollar kosten. Und ein Megabyte Speicherplatz reicht gerade einmal für ein hoch aufgelöstes Foto oder eine kleine Audiodatei, wie diese von Peter Schüssler von Life Technologies.
"Ich persönlich glaube daran, dass sich etwas in dieser Richtung entwickeln wird, dass chemische Speicherung in Zukunft eine Rolle spielen wird, weil sie einfach diese Stabilität hat. Möglicherweise mit DNA, weil es das biologisch stabilste und am längsten über die Evolution entwickelte Speichermedium ist. Ob es die natürliche DNA ist oder modifizierte DNA, das wird die Zukunft zeigen. Aber das Potential ist da."
Mehrere Quantensprünge sind noch notwendig, um DNA als Datenspeicher marktfähig zu machen. Aber wenn der Preisverfall im gleichen Tempo weiter läuft wie bisher, könnte es in 20 oder 30 Jahren soweit sein.
Kleine synthetische DNA-Schnipsel mit 20 bis 50 Basen finden heute schon Verwendung außerhalb der Forschung. Zum Beispiel beim so genannten Tagging, der individuellen Kennzeichnung von Wertgegenständen oder Gebrauchsgütern. Peter Schüssler:
"Da werden Produkte wie Geldscheine markiert, aber auch Waren wie Kleidungsstücke. Es wird aber auch Öl markiert, so dass ich die Herkunft von Öl identifizieren kann. Und auch hier trägt DNA viele Vorteile gegenüber anderen Methoden, weil sie in vielen Medien stabil ist und in kleinsten Mengen nachgewiesen werden kann."
Die DNA verrät, woher das Öl kam oder wo die Kleidungsstücke hergestellt wurden, erklärt Peter Schüssler von Life Technologies. Schmugglern oder Produktpiraten soll so das Leben schwer gemacht werden.
"Sobald ich ein kurzes Fragment nur habe bin ich schon durch diese Vierfach-Codierung pro Stufe sehr individuell, sehr spezifisch. Das heißt: Mit einem kurzen DNA-Stück von nur zehn oder 20 Basen bin ich schon sehr genau. Viel komplexer als zum Beispiel ein 3D-Bar-Code."
Immer wichtiger wird auch eine andere Anwendung von DNA. Sie ist zwar noch nicht im allgemeinen Gebrauch, erfreut sich aber unter Forschern wachsender Beliebtheit: Das Bauen mit DNA-Schnipseln in der Nanotechnologie.
"DNA ist eben sehr stabil, chemisch sehr gut verstanden. Die Grundbausteine für die tägliche Arbeit, die kann man einfach kaufen."
Henrik Dietz ist Experimentalphysiker. Als Professor für Biophysik lehrt und forscht er an der Technischen Universität München in Garching. Und er ist einer der führenden DNA-Baumeister.
"Für diese Fertigungstechnik brauchen wir eigentlich nur so genannte Oligonukleotide. Die müssen gar nicht so lang sein. Das sind DNA-Moleküle mit 40 bis 50 Basen. Das ist quasi Standard. Das kann man bei 100 verschiedenen Herstellern einfach bestellen. Man schickt denen einfach eine E-Mail mit der gewünschten Sequenz und einen Tag später hat man einen kleinen Puffertropfen, einen Tropfen Lösung, mit dem gewünschten Molekül im Briefkasten."
Das Bauen mit DNA beginnt am Computerbildschirm. Es geht darum, mit einem einzelnen Faden eine Form zu schaffen. So ähnlich wie beim Zeichnen eines Hauses, ohne den Stift abzusetzen und ohne eine Linie doppelt zu ziehen: Jedes Grundschulkind kennt das: "Das – ist – das – Haus – vom - Ni – ko – laus – mit – An – bau – und – Toi – let - ten – haus."
"Also Sie stellen sich eine gewünschte Struktur vor und finden dann ähnlich wie in diesem Kinderspiel, dem Haus vom Nikolaus, einen Weg, auf dem Sie dann einen langen Schussfaden oder ein langes Molekül auf der Nanometerskala durch die gewünschte Struktur hindurch fädeln können. Das stellen Sie sich erst einmal gedanklich vor. Sie finden diesen Pfad. Dann im nächsten Schritt fügen Sie weitere Fäden hinzu, die dann den Weg des langen Schussfadens im Raum dreidimensional stabilisieren. Sie kleben ihn an verschiedenen Positionen fest. Dann bleibt er in dieser dreidimensionalen Form einfach sozusagen stehen."
Damit sich die DNA nach Plan formt, muss sie eine bestimmte Basensequenz haben. Die Reihenfolge der Basen bestimmt an welchen festgelegten Stellen die DNA bei bestimmten Temperaturen Winkel, Kurven oder Schleifen bildet. Dazu brauchen die Nanotechnologen keinerlei Werkzeuge. So kleine Hilfsmittel gibt es auch gar nicht. Die DNA findet gewissermaßen von selbst ihre Form. Dietz:
"Stellen Sie sich vor: Sie nehmen ein Auto, zerlegen es in seine 1000 Komponenten, legen es in einen großen Wasserbottich, rühren einmal und plötzlich setzt sich das Auto wieder zusammen. So ähnlich ist das, und es funktioniert komischerweise."
Nach einer japanischen Falttechnik wird das Bauen mit Erbmaterial auch als DNA-Origami bezeichnet. Dabei falten die Forscher die DNA eigentlich nicht. Sie konstruieren sie so, dass sie sich unter bestimmten Voraussetzungen von selbst wie gewünscht krümmt. Damit die Selbstorganisation funktioniert, muss die Temperatur stimmen. Dabei geht es um kleinste Temperaturunterschiede. So kommt es vor, dass der DNA-Faden bei 54 Grad Celsius ein wirres Knäuel bildet. Dann lassen die Forscher die Temperatur langsam absinken. Und bei 52 Grad entsteht die Konstruktion. Und sie bleibt so, weil die Fäden der DNA sich gegenseitig stabilisieren. Und das alles im Größenbereich von wenigen Nanometern – also Millionstel Millimeter. Anschließend wird nachgeschaut, ob die Form stimmt, am besten unter dem Elektronenmikroskop. Henrik Dietz und sein Team haben so ihr Verfahren immer weiter perfektioniert.
"Niemand kann auf dieser Längenskala mit dieser Präzision bauen, wie wir es jetzt können. Und zwar nur durch Selbstorganisation mit DNA."
Zunächst haben die Nanotechnologen von der TU München einfache Strukturen und Linien gebaut, dann Plättchen, Röhren, kleine Pyramiden oder Zahnräder. Nun werden ihre Konstruktionen immer komplizierter. Dietz:
"Ein anderes Objekt, das wir gebaut haben, ist quasi eine nanoskalige Spritze. Sieht aus wie eine Spritze, nur eben 2,5 Millionen Mal verkleinert. Sie hat eine kleine Kanüle, die in der Lage ist, durch eine Zellmembran hindurch zu stechen. Und diese Struktur können wir eben bauen aus DNA."
Mit dieser winzigen Spritze ließen sich Wirkstoffe in einzelne Zellen hineinspritzen. So etwas könnte in Zukunft für die Medizin interessant sein, glauben die Forscher. Und sie wollen noch mehr. Bald sollen kleinste Gebilde entstehen, die ebenso filigran sind, wie natürliche Strukturen innerhalb unserer Zellen. Sie könnten ähnlich funktionieren wie natürliche Enzyme und verschiedene Aufgaben in den Zellen eines Menschen übernehmen. Zum Beispiel: Schädliche Ablagerungen im Gehirn von Alzheimer-Patienten beseitigen. Auch in der Technik werden sich Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Die ganze Computer- und Kommunikationstechnik könnte in zehn oder zwanzig Jahren von Silizium auf DNA umgestellt werden. Schließlich müssen die einzelnen Bauteile in dieser Branche immer kleiner und leistungsstärker werden. Und kein anderes Material ist so fein und zugleich so stabil wie die DNA-Doppelhelix. Als Grundstoff reicht ein Tropfen mit gelöster DNA. Die Möglichkeiten scheinen unbegrenzt. Und dennoch gibt es Wissenschaftler, denen auch das noch nicht reicht.
Am Stadtrand der Universitätsstadt Cambridge steht direkt an der Francis Crick Avenue ein moderner, fünfstöckiger Forschungspalast. Der Neubau des traditionsreichen MRC-Labors für Molekularbiologie. Philipp Holliger entwickelt hier den Baustoff der nächsten Generation.
"Wir haben eine Reihe von DNA-Analoga hergestellt, die wir XNA nennen. Das X steht für Xeno, fremd. Dazu haben wir das Rückgrat der DNA verändert. Wenn man sich die DNA als verdrillte Leiter vorstellt, dann sind es nicht die Leitersprossen, die Basen, die wir verändert haben, sondern die Holme der Leiter. Dort befinden sich Zucker. Sie bilden das Gerüst, sorgen dafür, dass die Basen am richtigen Ort bleiben."
Statt Desoxyribose oder Ribose wie in der DNA besitzt die XNA andere Zucker wie Arabinose oder Cyclohexenyl. Damit sich diese unnatürlichen Erbmoleküle auch umschreiben und kopieren lassen, musste Philipp Holliger neuartige Enzyme entwickeln. Denn die natürlichen Enzyme sind nun einmal auf DNA spezialisiert.
"Wir brauchen ein Enzym, das die XNA schreibt, und ein anderes Enzym, das die XNA liest. Die Umwandlung muss in beide Richtungen erfolgen: Von der DNA zur XNA und zurück von der XNA zur DNA. So lässt sich XNA lesen und schreiben."
Einige der XNA-Moleküle sind stabiler als DNA. Als Datenträger sind sie ebenso gut geeignet wie DNA, oder sogar besser. Ihre Herstellung ist allerdings noch teurer. Aber XNA hat einen entscheidenden Vorteil: Im Gegensatz zu ihren natürlichen Verwandten gibt es keine natürlichen Enzyme, die sie knacken und abbauen können. Das macht sie interessant für die Medizin. Holliger:
"Das Rückgrat einiger XNA-Moleküle ist so fremdartig, dass es im Körper nicht abgebaut werden kann, oder nur extrem langsam. Denn dem Körper fehlen die notwendigen Enzyme. Deshalb sind speziell geformte Wirkstoffe aus XNA im Körper viel langlebiger als natürliche Stoffe und könnten in Zukunft als neuartige biomolekulare Wirkstoffe verwendet werden."
Auch für den Baukasten der Nanotechnologen stellt XNA eine wichtige Bereicherung dar. Auch sie formt sich selbst und ist äußerst stabil. Sie hat die gleichen Eigenschaften wie DNA und ist doch anders. Mit ihr wird das Leben auf der Erde gewissermaßen zum zweiten Mal erfunden. Irgendwo im Weltraum könnte XNA die Rolle der DNA übernommen haben. Holliger:
"Wenn wir nach außerirdischem Leben suchen, müssen wir uns bewusst sein, dass fremde Organismen verschiedene Erbmoleküle nutzen können. Das könnte XNA sein, aber auch noch etwas viel Fremderes. Die DNA ist nicht einzigartig."
Alles hätte auch ganz anders kommen können. Doch auf der Erde ist DNA nun einmal die Basis allen Lebens, und jetzt wird sie außerdem zum Grundstoff einer neuen Technologie. Irgendwann könnte die stabile Doppelhelix sogar die Siliziumwelt der Computerchips ablösen. Von all dem ahnte Francis Crick noch nichts. Er hatte die Tür in die DNA-Welt gerade erst einen Spalt weit geöffnet. Es gab nur ein einziges Modell der Doppelhelix aus Draht und Pappe, und das stand im Büro an der Universität Cambridge auf dem Schreibtisch von Francis Crick.
Dear Michael. You can understand that we are very excited. Read this carefully so that you understand it. When you come home we will show you the model.
Du kannst dir vorstellen, wie aufgeregt wir sind. Lies dies bitte sorgfältig, dann wirst du es verstehen. Sobald du nach Hause kommst, zeigen wir dir das Modell.
Lots of love, Daddy.