Riesen-DNA: Im Bann des X
Übergroße Stränge des DNA-Moleküls könnten als Diagnosemittel dienen - und irgendwann zum Türöffner für maßgeschneiderte genetische Systeme werden.
- Erik Sherman
In vielen Bereichen der Technik geht es vor allem darum, die Dinge immer kleiner werden zu lassen. Forscher an der Stanford-Universität machen es umgekehrt: Sie haben künstliche DNA-Stränge mit Molekülen synthetisiert, die ungefähr 15 Prozent größer sind als in der Natur. Diese so genannten xDNA-Stränge haben bessere Eigenschaften als natürliche DNA. So ist xDNA stabiler und leuchtet unter ultraviolettem Licht. Diese Vorteile könnten bei der Gendiagnose helfen und schließlich möglicherweise künstliche Lebensformen ermöglichen.
"Unser größtes Interesse liegt darin, ob wir unser eigenes genetisches System zusammenstellen können", sagt Chemie-Professor Eric Kool, der das Stanford-xDNA-Forschungsteam leitet. "Ich denke, wir sind schon ziemlich weit."
Der größte Unterschied zwischen xDNA und regulärer DNA ist ihre Struktur. Normalerweise besteht DNA aus einem Strang von Nukleotiden, die jeweils einen Zucker, ein Phospat und eine Base haben: Entweder Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin, die in der DNA-Umschreibung als A,T, G und C bezeichnet werden. Wenn DNA-Fäden mit anderen DNA-Fäden verknüpft werden, verhalten sich die Verknüpfungspunkte auf eine bestimmte Art: So verbindet sich Adenin immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin.
Vor ungefähr 30 Jahren fand der Chemiker Nelson Leonard, der damals an der Universität von Illinois war und heute am Caltech arbeitet, eine Möglichkeit, Adenin so zu dehnen, dass es fluoreszierte, wenn man es ultraviolettem Licht aussetzte. Leonard gelang allerdings nicht, den Zucker und das Phosphat an das Adenin zu heften, woraus dann vollständige Nukleotide geworden wären.
Damals wussten die Forscher noch nicht, wie man DNA künstlich herstellen kann. Das ist heute anders, künstliche DNA-Fäden sind innerhalb der Medizin in der genetischen Diagnose inzwischen verbreitet.
Professor Kool versuchte nun, eine DNA-Doppelhelix zu erstellen. Erst synthetisierte er zwei erweiterte Basen: Adenin und Thymin (xA und xT). Er stellte dann Nukleotiden daraus zusammen, in dem er einen passenden Zucker und ein passendes Phosphat ergänzte. Kools Doppelhelix wurde groß genug für die gedehnten Basen, weil er jeweils ein xA an ein normales T und jedes xT an ein normales A heftete.
Die Nukleotiden zu bauen, dauerte vier Jahre lang. Kool begann damit, die Struktur der seiner gedehnten Basen zu entwerfen und fuhr dann mit der Synthese fort, bei der man geeignete Formen von Zucker und Phosphat finden musste: "Wir führten die chemische Reaktion immer und immer wieder durch." Bis die Resultate jeweils klar waren, dauerte Tage, manchmal sogar Wochen. Und weil eine solche Synthese noch nie durchgeführt worden war, landete Kools Team öfter in einer Sackgasse.
Nachdem die Forscher stabile, übergroße Nukleotiden synthetisiert hatten, nutzten sie handelsübliche Technik, um sie in eine DNA-Sequenz zu bringen. Die natürliche DNA braucht ungefähr 10,5 paarweise angeordnete Nukleotid-Schritte für eine komplette Umdrehung ihrer Doppelhelix. Die vergrößerten Basen erweiterten den Durchmesser der Helix - mehr Nukleotid-Schritte waren nötig.
Durch die Größe hielt sich die Molekular-Struktur aber auch besser. Während natürliche DNA in Kools Labor schon bei 21 Grad Celsius zerfiel, blieb die xDNA bis 56 Grad intakt. Kools Forschungen "zeigen, dass die Doppelhelix-Struktur der (natürlichen) DNA nicht die einzige bleiben muss", kommentiert Danith Ly, Assistenzprofessor für Chemie an der Carnegie Mellon-Universität. Ly ist Experte für die Entwicklung chemischer Werkzeuge zur Analyse von Genomen und Proteinen.
