Die in DNA und RNA gespeicherte Information verblüfft Wissenschafter immer wieder - zumal die "Daten" Millionen Jahre alt sein können
Jedes heute lebende Wesen und seine Erbsubstanz ist das Produkt der seit hunderten Millionen Jahren fortschreitenden Evolution - das Ergebnis stetiger Selektion, Zufall und Dynamik, wie Charles Darwin vor ziemlich genau 150 Jahren zum ersten Mal festhielt. Was früher einmal genetisch gut und sinnvoll war, muss heute - unter völlig anderen Bedingungen - nicht unbedingt von Vorteil sein.
Bislang glaubte man, große Teile der Erbsubstanz von Tieren und Pflanzen hätten längst ihre Funktion verloren und würden quasi als wertlose Erbmasse von Generation zu Generation weitergereicht. - Offenbar ein Irrtum. Ein US-amerikanisches Forscherteam unter der Leitung des Molekularbiologen John Rinn von der Harvard University hat die angeblich unnützen Chromosomen-Abschnitte von Mäusen systematisch durchsucht und dabei die Codes für etwa 1600 sogenannte lincRNAs gefunden.
Diese Ribonukleinsäureketten dienen nicht als Grundlage für die Proteinsynthese. lincRNAs greifen vielmehr regulierend ein und steuern unter anderem Zellstoffwechselprozesse. Die Struktur der neu entdeckten lincRNAs ist sehr konservativ, berichten die Fachleute in der Wissenschaftszeitschrift Nature (Bd. 458, S. 223). Ihre Entstehung könnte bis zu den ersten Säugetieren zurückreichen.
Der Clou hinter den lincRNAs liegt laut Rinn wahrscheinlich in ihrer Funktion als zusätzliche Informationsspeicher. Jede Zelle eines Lebewesens verfügt schließlich über dieselbe genetische Grundausstattung. Ob aus ihr z. B. eine Hautzelle oder ein Hepatozyt wird, entscheidet sich mittels eines noch längst nicht ausreichend erforschten Regelwerks.
Was aber passiert, wenn sich eine bereits spezialisierte Zelle teilt? "Sie muss wissen, wie sie ihre Eigenschaften behält", betont John Rinn im Gespräch mit dem Standard. Wenn die lincRNAs bereits vor der Teilung vorhanden sind, können sie das An- und Abschalten gewisser Gene aufrechterhalten, vermutet der Experte. Das wäre eindeutig epigenetische Prägung.
Eine ganz andere und besonders dauerhafte Form genetischen Gedächtnisses findet sich bei manche Prokaryoten, primitiven Einzellern ohne Zellkern. Einige Gruppen davon, zu der u. a. Blaualgen gehören, verfügen über das Enzym Nitrogenase, welches solche Organismen zur Fixierung von reinem Stickstoff (N2) in biologisch verwendbarer Form befähigt. Dieser als Nitrifikation bezeichnete Prozess spielt im globalen Ökosystem eine wichtige Rolle.
Eine uralte Erfindung
Der Ursprung der Nitrogenase im Evolutionsprozess beschäftigt die Wissenschaft seit längerem. Analysen haben gezeigt, dass sämtliche bekannte Formen dieses Enzyms von einem einzigen Urtyp abstammen dürften. Mit anderen Worten: Die Nitrogenase ist wahrscheinlich die "Erfindung" einer einzigen Einzellerspezies, die in grauer Vorzeit gelebt haben muss. Und zwar bevor die Erdatmosphäre sauerstoffhaltig wurde.
Das Enzym ist nämlich überaus empfindlich, und Sauerstoff zum Beispiel zerstört seine Reaktionsfähigkeit. Dementsprechend leben stickstofffixierende Arten entweder unter anaeroben Bedingungen, oder sie haben Mechanismen entwickelt, den aggressiven Sauerstoff von ihren kostbaren Enzymen fernzuhalten.
Solche Probleme waren den Einzellern vor rund 3,5 Milliarden Jahre noch unbekannt. Frei verfügbaren Sauerstoff gab es damals praktisch nicht, große Mengen waren stattdessen in CO2 gebunden. In den Ur-Ozeanen schwappte aber eine ammoniakhaltige Brühe. Die stinkende Substanz muss frühe Lebensformen mit verwertbarem Stickstoff versorgt haben. Warum also Nitrogenase entwickeln?
Zellgift als Lösungsansatz
Des Rätsels Lösung liefert wahrscheinlich ein viel gefährlicheres Zellgift - Zyanid, kurz CN. Es dürfte ebenfalls in hohen Konzentrationen vorhanden gewesen sein, und seine Zerlegung lässt sich biochemisch genauso bewerkstelligen wie das Aufspalten von N2-Molekülen. Experten vermuten deshalb, dass Nitrogenase ursprünglich zur Neutralisation von Zyanid diente.
Eine neue Studie von Forschern des California Institute of Technology scheint diese Theorie zu bestätigen. Die Arbeitsgruppe von Victoria Orphan untersuchte Archaeen der Gruppe ANME-2, die zusammen mit Schwefelbakterien an Methanquellen am Meeresgrund leben (vgl. Science, Bd. 326, S. 422).
Zur Begeisterung der Wissenschafterinnen konnte die Nitrogenase der ANME-2-Zellen problemlos CN-Ionen abbauen, auch wenn das Gift in ihrem Lebensraum gar nicht vorkommt. Die Gene der Archaeen können sich anscheinend noch immer an den Urzustand unseres Planeten vor 3,5 Milliarden Jahren erinnern. (Kurt de Swaaf/DER STANDARD, Printausgabe, 25.11.2009)
