Ein Bauplan des Lebens wurde entdeckt

An der Cornell Universität in Ithaca (New York) herrscht große Freude. Seit letzten Freitag ist bekannt, daß es dem dort lehrenden Professor für Biochemie, Dr. Robert W. Helley, und seinen Mitarbeitern zum erstenmal gelungen ist, die chemische Struktur einer Nukleinsäure zu enträtseln, einer jener Substanzen, die die Produktion von Eiweißstoffen in der lebenden Zelle steuern und die für die Weitergabe der Erbinformationen von Zelle zu Zelle und von Generation zu Generation sorgen.

"Holleys Strukturanalyse ist eine der großen Errungenschaften der modernen Biochemie, ein neues wichtiges Glied in der Indizienkette, die einmal zur Enthüllung des Mysteriums des Lebens führen wird", erklärte Charles Palm, der Dekan der Landwirtschaftlichen Fakultät, der Professor Holley seit 17 Jahren angehört. Und ähnlich hochtrabend klingen die anderen ersten Kommentare amerikanischer Wissenschaftler zu dem Untersuchungsergebnis, das Holley in der Wissenschaftszeitschrift "Science" (19. März) veröffentlicht hat.

Warum ist es so wichtig, den chemischen Aufbau gerade dieser Zellsubstanzen zu kennen? Um dies ermessen zu können, muß man sich die Funktionen der Nukleinsäuren in der Zelle vergegenwärtigen.

Die lebende Zelle wird oft mit einer chemischen Fabrik verglichen; zutreffender ist der Vergleich mit einem Industriegebiet, denn in der Zelle befinden sich zahllose Produktionsstätten, die allerlei Stoffe herstellen, Mineralien, wie sie auch in der unbelebten Natur vorkommen, und höchst komplizierte organische Substanzen, darunter die Proteine, die vielen verschiedenen Eiweißstoffe.

Das Rohmaterial, das von diesen Fabrickomplexen in die Bestandteile unserer Gewebe, unser Knochen, Haare, Fingernägel, in Blut oder Hormone und zum Teil in Energie umgewandelt wird, liefert unsere Nahrung und der Sauerstoff, den wir atmen. Wie aber wird die Arbeit dieses gewaltigen Industriekomplexes "Zelle" koordiniert? Wer bestimmt, was die einzelnen Proteinfabriken, die Ribosome, herstellen sollen, wann sie das zu tun haben und in welchem Umfang?

Wir wissen, daß sich diese Zentralverwaltung im Zellkern befindet, in den Chromosomen, die ja auch für die Kontinuität des Lebens sorgen, also dafür, daß bei einer Zellteilung die beiden neu entstandenen Industriegebiete fortfahren können, in gleicher Weise zu funktionieren, und daß bei der Vereinigung von Keimzellen das neue Lebewesen die notwendigen Instruktionen zur Erhaltung der Art mitbekommt.

Seit einigen Jahren haben wir auch eine Vorstellung davon, wie die Eiweiß-Produktionsanordnungen in den Chromosomen formuliert sind, wie die einzelnen Anweisungen den verschiedenen Proteinfabriken überbracht, und wie sie dort entgegengenommen werden. Just das nämlich ist die Aufgabe der Nukleinsäuren.

Ein Bauplan des Lebens wurde entdeckt

Vereinfacht sieht das so aus:

Die Manager in den Chromosomen sind die DNS (Desoxyribonukleinsäure)-Moleküle, Ketten aus Hunderten von kleineren Molekülen, den sogenannten Nukleotiden. Die Nukleotide bestehen aus einem Zuckerphosphat und einer "Base", einem Stoff, der chemisch dem Koffein und auch den Barbituraten ähnelt. Es gibt vier verschiedene DNS-Basen, folglich vier Nukleotidtypen, und ihre Reihenfolgen der Molekülkette repräsentiert jeweils den speziellen Befehl, den das DNS-Molekül erteilt. Die Produktionsanordnungen für die chemischen Fabriken der Zelle liegen also in Form von langen Sätzen, buchstabiert in einem Alphabet aus nur vier Symbolen, sozusagen schriftlich bei der Befehlsstelle im großen Verwaltungsgebäude "Chromosom" vor.

Überbracht werden nun diese Anweisungen an die Fabriken ebenfalls von einer Nukleinsäure, den Molekülen der m-RNS (messenger-Ribonukleinsäure), die wiederum aus vier verschiedenen Nukleotiden zusammengesetzt sind.

Die DNS-Moleküle stellen diese "Boten" (messengers) selbst her, und zwar aus Nukleotiden, die noch ungebunden allerorts in der Zelle umherwandern. Nukleotide üben paarweise aufeinander eine Anziehungskraft aus, und zwar entspricht jedem Nukleotid-Typ ein ganz bestimmter anderer, ein Partner gewissermaßen, zu dem er sich hingezogen fühlt. Deshalb lagern sich an die einzelnen Glieder der DNS-Ketten jene Nukleotidpartner an, und diese Bausteine verketten sich zu dem m-RNS-Molekül, das dann als eine Art Negativkopie der DNS-Kette zu einer der Proteinfabriken außerhalb des Zellkerns wandert.

Die Fabrik hat einen Vorrat an kleinen Kettchen, t-RAS-(transfer-RNS-)Molekülen, die aus allen möglichen Kombinationen von nur wenigen Nukleotiden bestehen. Die bereits erwähnte Anziehungskraft zwischen den Nukleotid-Paaren bewirkt hier, daß sich die t-RNS-Kettchen, wo sie passen, an die entsprechenden Abschnitte des m-RNS-Moleküls anlagern.

Bei der Direktion im Zellkern wird der Befehl gewissermaßen Buchstabe für Buchstabe zusammengestellt, in der Proteinfabrik dagegen sind es ganze Wörter, eben die Nukleotidketten der t-RNS, aus denen der Befehl rekonstruiert wird.

An jedem t-RNS-Kettchen hängt nun eine der zwanzig verschiedenen Aminosäuren, der Grundbausteine aller Proteine. Während also der Bote die t-RNS-Moleküle zusammenfügt, werden gleichzeitig jene Anhängsel zu Eiweißstoffen in der Weise aneinandergereiht, wie das Gesetz, – nämlich die DNS-Anweisung, es befahl.

Ein Bauplan des Lebens wurde entdeckt

Drei Arten von Nukleinsäuren sind es also, die an dem Prozeß beteiligt sind, in dem nach einem ererbten Schema die Materie lebender Organismen hergestellt wird: die DNS, in der das Produktionsprogramm fixiert ist, die m-RNS, der Befehlsüberbringer und die t-RNS, welche die Befehle empfängt und ausführt.

Eine der reizvollsten Aufgaben der Biochemie ist es, die Geheimschrift zu dechiffrieren, in der die Anweisungen für die Eiweißproduktion formuliert werden. Die Frage lautet: Welche Buchstaben-(Nukleotid-)Folge entspricht einem bestimmten Protein?

Die vollständige Antwort darauf würde den Schlüssel zum Verständnis der elementaren biologischen Prozesse liefern. Wir würden wahrscheinlich den genetischen Mechanismus vieler bislang noch unbekannter Krankheiten erkennen, und der Wissenschaft stünde die Möglichkeit offen, gezielte Erbänderungen künstlich herbeizuführen. Die Konsequenzen, die sich aus einer solchen Möglichkeit ergäben, wären für viele Forschungszweige von unschätzbarer Bedeutung. Zum Beispiel könnten Zellveränderungen, die zu Krebs führen, in Gewebekulturen erzeugt und erforscht werden, die Wirkung von Drogen auf kranke und gesunde Zellen ließe sich exakt untersuchen, ja, vielleicht würde die Manipulierbarkeit des Lebens sogar zu einer Ausrottung bestimmter Erbkrankheiten führen.

Die Elemente des genetischen Codes haben Molekularbiologen in spitzfindigen Untersuchungen bereits entdeckt. Ganze Codewörter oder gar -sätze wird man freilich erst dann lesen können, wenn die Buchstabenfolgen in den Nukleinsäuremolekülen, also deren chemische Struktur, ermittelt worden ist.

Bis vor einer Woche war dies noch in keinem einzigen Fall geschehen. Zwar besitzen die Biochemiker seit dem Erscheinen der nobelpreisgekrönten Arbeit der englischen Wissenschaftler James D. Watson und Francis Crick vor zwölf Jahren ein plausibles und durch Experimentalergebnisse gestütztes hypothetisches Modell von der Struktur der Erbsubstanz. Aber es ist eben nur ein Modell, eine generelle Vorstellung vom Aufbau der komplizierten Moleküle, die jederzeit durch ein ihr widersprechendes experimentelles Ergebnis zu Fall gebracht werden kann.

Holley und seine Assistenten haben nun zum erstenmal die Architektur einer Nukleinsäure regelrecht analysiert, und zwar der t-RNS, die die Aminosäure Alanin als "Anhängsel" wählt.

Die Forscher in Ithaca setzten der Nukleinsäure verschiedene Substanzen zu, die die Eigenschaft haben, t-RNS-Moleküle in Stücke zu reißen. Jede der benutzten Substanzen trennte die Molekülketten an anderen Stellen; so entstanden stets verschiedene Trümmer – einzelne Nukleotide und kurze Kettchen –, die untersucht und miteinander verglichen wurden. Dabei enthüllte sich allmählich die vollständige Strukturformel der aus 77 Gliedern bestehenden Molekülkette.

Gewiß, das ist nur ein Anfang, und die t-RNS-Moleküle sind die kürzesten unter den Kettenstrukturen der Erbsubstanzen. Aber die Methode des amerikanischen Wissenschaftlers wird zweifellos wegweisend sein für die Molekulargenetiker, die an der Entschlüsselung des Lebenscodes arbeiten.