Logische Gatter aus Ribonukleinsäure
US-amerikanische Wissenschaftler erweitern Ribozyme zu Schaltern und logischen Gattern, die sich chemisch steuern lassen.
Maung Nyan Win und Christina D. Smolke vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena ist es gelungen, aus Ribonukleinsäure (RNS) logische Gatter herzustellen. Ihr Verfahren beschreiben sie in der aktuellen Ausgabe der US-amerikanischen Wissenschaftszeitschrift Science.
RNS ist eng mit der DNS verwandt, der Trägerin von Erbinformationen in biologischen Zellen. Anders als DNS besteht die RNS nicht aus der bekannten Doppelhelix, sondern aus einem Einzelstrang und ist reaktionsfreudiger als ihre prominente Cousine. Win und Smolke verwendeten bei ihren Experimenten ein katalytisch wirkendes RNS-Molekül, dessen Basen stellenweise untereinander verkoppelt sind und dadurch eine komplexe, dreidimensionale Struktur bilden – ein sogenanntes Hammerhead-Ribozym, das auch in Viren vorkommt und andere RNS-Stränge zu teilen vermag.
Die Forscher erweiterten ihr Ribozym um weitere Ribonukleinsäuren, die dem Gesamtgebilde die Funktion eines Schalters verliehen: Wenn sich die Basen auf eine bestimmte Weise untereinander verkoppelten, wirkte das Molekül weiter als Hammerhead-Ribozym und zerteilte RNS-Stränge. Dockten andere Abschnitte aneinander an, trat dieser Effekt nicht mehr auf. Die Forscher benutzten beispielsweise das Antibiotikum Tetracyclin, um die Hammerhead-Eigenschaften ihres Ribozyms gezielt abzuschalten.
Da das Hammerhead-Ribozym an zwei Stellen erweiterbar ist, ließen Win und Smolke ihr Molekül auf zwei unterschiedliche Botenstoffe reagieren – nur wenn beide vorhanden sind, ändert sich der Zustand, was einer logischen "Und"-Verknüpfung entspricht. Ein logisches "Oder" erreicht man durch zwei Moleküle, die jeweils auf unterschiedliche Substanzen reagieren: Ist entweder die eine oder die andere vorhanden, wird eines der Ribozyme aktiv. Durch Kopplung solcher einfachen Bausteine können komplizierte Strukturen bis hin zu einem "biologischen Computer" entstehen, wie die Universität Caltech in einer Pressemeldung schwärmt: Ein "Multi-Input Plug-and-Play Synthetic RNA Device", das in der Lage sei, auf viele biologische oder umweltbedingte Signale gleichzeitig anzusprechen und in Zukunft etwa als Sensor fürs Aufspüren von Tumorzellen einsetzbar wäre, oder um zu entscheiden, welche modifizierten Gene im Rahmen einer Krebstherapie an- oder abzuschalten wären. (pek)
