Wie Gene ihre Information weitergeben

30. Juni 2000, 18:02

Das Leben ist ein digitaler Rechenprozess, nur arbeitet es mit Quits statt Bits

Es ist kein Zufall, dass die Genforschung ihren rasanten Aufstieg simultan mit der Computertechnologie erlebt, da der Schlüssel zum Verständnis beider Wissenschaften die digitale Information ist. Elektronische Rechner, in den Vierzigerjahren entwickelt, verwenden die einfachsten digitalen Kombinationen zur Verschlüsselung ihrer Informationen. Alles wird in einer Kette von "Bits" - Null und Eins - ausgedrückt. Jeweils acht Bits bilden "Bytes". Indem wir diese Bits und Bytes in Kombination mit Speichern und elektronischen "Gates", die arithmetische Rechenoperationen mit ihnen durchführen, verwenden, entsteht ein Mechanismus, der theoretisch jedes Problem lösen kann, sofern es in einer endlichen Reihe logischer Abläufe darstellbar ist.

Der Computer ist eine der großartigsten Erfindungen, doch seine Arbeitsweise spiegelt fast unheimlich die Methoden der größten schöpferischen Kraft des bekannten Universums - der natürlichen Selektion - wider, die alles Lebendige zusammengefügt hat. Denn auch das Leben ist im Wesentlichen ein digitaler Rechenprozess. Allerdings ist der Code bei Lebewesen eher quaternär als binär. Und die quaternären Bits - nennen wir sie Quits - sind chemische Verbindungen. Es sind stickstoffhältige Basen: Thymin (T), Cytosin (C), Adenin (A) und Guanin (G).

Vier Grundbausteine

Ist der Code quaternär, können die "Quytes" des Codes kürzer sein als die Bytes im binären System, und das ist hier tatsächlich der Fall. Lebende Quytes, bekannt als Codone, sind aus drei Basen zusammengesetzt. Das heißt, es gibt 64 Kombinationsmöglichkeiten, weniger als die 256 möglichen Bytes, aber genug, um ihren Zweck zu erfüllen: die genetische Information zu befördern, damit der Körper Proteine produzieren kann.

Die Proteine sind die Arbeitspferde der Biologie. Fast jedes Molekül im menschlichen Körper ist entweder ein Protein oder das Ergebnis einer Proteinaktivität. Proteine setzen sich aus kleineren Molekülen zusammen, den Aminosäuren, die kettenförmig miteinander verbunden und gewöhnlich mehrere Hundert Aminosäure-Einheiten lang sind. Die Biologie verwendet 20 verschiedene Aminosäuren für die Eiweißproduktion, ein Großteil der 64 Codone entsprechen sinngemäß aber nur einer einzigen dieser Aminosäuren. Das heißt, es gibt viel Überflüssiges in dem System.

DNA ist in der Computer- Analogie die "read-only memory". Es ist das Molekül, in dem Quits und Quytes gespeichert werden. Wie der Computer wurde DNA als genetische Substanz in den Vierzigerjahren entdeckt. Der eigentliche Durchbruch erfolgte 1953, als James Watson und Francis Crick die Struktur des DNA- Moleküls erkannten.

DNA funktioniert, weil die Quits auf ganz spezielle Art Paare bilden. Das Molekül besteht aus einem Doppelstrang, bei dem sich die Stränge umeinander wickeln - die berühmte Doppelhelix. Werden die Stränge getrennt, erinnern sie an eine Leiter: Die zwei Holme bestehen aus Molekülen eines Zuckers namens Desoxyribose. Die Sprossen bestehen aus je zwei Basen. Der Trick dabei ist, dass, obwohl die einzelnen Basen unterschiedlich groß sind, die bevorzugten Paarungen Einheiten schaffen, die in Form und Größe gleich sind - A paart sich mit T und C mit G.

Da die Sprossen auf jeden Fall zwischen die Holme passen, können die an einen Holm fixierten Quits in beliebiger Reihenfolge auftreten. Allerdings bestimmt die Ordnung der Quits in einem Strang unausweichlich die Ordnung im anderen. Wenn ein DNA-Molekül in der Mitte "aufgezippt" wird, dient jede der beiden Hälften als Matrize, um ein völlig identes Molekül zu schaffen. Diese Autoreduplikation findet statt, wenn sich eine Zelle teilt.

Die Gene selbst sind Sequenzen von Quytes, die bestimmten Proteinen entsprechen. Sie sind entlang den Chromosomen im Zellkern befestigt. (Chromosome treten in Paaren auf, ein Teil vom Vater, der andere von der Mutter). Beim Menschen machen die Gene nur einen kleinen Teil der DNA in einem Chromosom aus. Der Rest - ungefähr 97 Prozent - wird oft "Junk", Abfall, genannt. Dazu kommt, dass die DNA-Anteile in einem Gen in Module - Exone - aufgeteilt sind. Und diese Module sind durch Abfallteilchen, Introne, voneinander getrennt.

Lücken kein Problem

Derartige Lücken sind für das System kein Problem. Die DNA wird in ein Molekül namens Messenger-RNA transkribiert, die kleine chemische Abweichungen enthält: Thymin wird durch Uracil (U) ersetzt. Aber sie benutzt dasselbe System von Quits und Quytes. Die Intronen werden von bestimmten Enzymen entfernt, und die RNA wird Quyte für Quyte von einer Art Zellmaschine, dem Ribosom, abgelesen.

Die Ribosome sind es, die Gene in Proteine übersetzen, indem sie zum Quyte, das gerade in die Proteinkette hineingelesen wird, die passende Aminosäure hinzufügen. Sobald ein Ribosom-Molekül die RNA aufgebraucht hat, stellt es seine Tätigkeit ein: Ein neues Protein wird in die Zelle entlassen.

(Übersetzung: Ulla Kleihs)

© Economist

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