„DNA“ ist allgegenwärtig

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Was war eigentlich vor der DNA? Die wegweisenden Erkenntnisse des Lord Todd

„DNA“ ist allgegenwärtig. Aus der DNA kann man ablesen, mit wem man verwandt ist, sie verrät über Erbkrankheiten, über Stammbäume, über Früh- und Vormenschen. Man kann sie verändern und dadurch resistente Pflanzen bauen. Oder HIV-resistente Babys, wie Anfang des Jahres in China publik wurde.

Auch technisch ist DNA zu gebrauchen. Mit einer Technik namens „DNA-Origami“ basteln Wissenschaftler winzige Gerüste zusammen oder stellen Maschinchen her, die sich auf ein Signal hin selbständig bewegen können. Eine der neuesten Erfindungen ist DNA als Baustein in der Informationstechnologie.

Das geht, weil DNA beides kann, Struktur und Information. Beides hängt in der DNA untrennbar zusammen. Und so kam die erstmalige Präsentation der DNA-Struktur im Jahr 1953 im Fachmagazin „Nature“ einem Urknall der DNA-Technologie gleich. Die Struktur verriet, wie Nukleinbasen, Zuckermoleküle und Phosphat in einer langen Kette chemisch zusammenhängen. Dass die Reihenfolge der Basen den Code der Gene darstellt. Und dass immer zwei komplementäre Ketten schraubenförmig umeinander gewunden sind. Mit der Kenntnis der Struktur und vor allem des Codes war es ab jetzt theoretisch möglich, DNA und somit das Erbgut zu entziffern, gezielt zu verändern und sogar neue DNA zu bauen. Ausgetüftelt haben die Struktur der Amerikaner James (Jim) Watson (*1928) und der Brite Francis Crick (1916-2004). Sie grübelten über Röntgenstrukturaufnahmen der Biochemikerin Rosalind Franklin (1920-1958).

Das geht, weil DNA beides kann, Struktur und Information.

Woher wussten Watson und Crick, was sie da zur Struktur zusammenfügen sollten?

Die chemischen Bestandteile der DNA waren Mitte des 20. Jahrhunderts schon recht gut analysiert. DNA heißt ausgeschrieben „deoxyribonucleic acid“ oder deutsch: „Desoxyribonukleinsäure“. Darin stecken zentral „Ribo-“ für Ribose, was ein Zuckermolekül ist. Und „Nuklein“, womit man die gesamte Substanz bezeichnete, die sich im Zellkern befindet. „Desoxy-“ bedeutet, dass das Ribose-Zuckermolekül weniger Sauerstoff enthält als normal. Und „Säure“, dass die Substanz sauer ist. Also ist die DNA eine aus Desoxyribose und Nuclein bestehende Säure.

Dass die DNA chemisch schon recht gut analysiert worden war, lag an den hervorragend ausgebildeten Wissenschaftlern der organischen Chemie Anfang des 20. Jahrhunderts in Deutschland. Berlin und München waren die großen Zentren, an denen Farbstoffe, Zucker und Gallensäuren erforscht wurden. Der schottische Student Alexander Todd (1907–1997) fertigte von 1929 bis 1931 in Frankfurt am Main seine Doktorarbeit zur Chemie der Gallensäuren an. Anschließend ging er nach Oxford in England, um bei Sir Robert Robinson (1886–1975) Pflanzenfarbstoffe in einer zweiten Doktorarbeit zu erforschen.

Dann wandte er sich den Vitaminen zu. Und hier schlägt sich der Bogen zur DNA: Todds erstes untersuchtes Vitamin war Thiamin (Vitamin B1). Ein chemischer Bestandteil von Thiamin ist eine stickstoffhaltige Base, also eine alkalisch oder basisch reagierende Substanz mit mehreren Stickstoffatomen. Ganz ähnliche Basen isolierten die Wissenschafter aber auch aus dem Nuklein, der Zellkernsubstanz. Thiamin und Nuklein war also die Nukleinbase gemein, und nicht nur das: Im Thiamin und im Nuklein war diese Nukleinbase chemisch an Desoxyribose und ein Phosphat gebunden. Diese Verbindung aus Nukleinbase, Desoxyribose und Phosphat nannten die Wissenschaftler Nukleotid. Todd fand heraus, wie man Nukleotide im Labor herstellen kann. Durch seine Synthese konnte er die chemische Natur der Nukleotide genau beschreiben.

 

Und woraus bestehen nun Nukleotide?

Nukleotide bestehen allgemein aus einem Zucker, einer Nukleinbase und Phosphorsäure. In der DNA können vier verschiedene Nukleotide vorkommen. Sie unterscheiden sich nur durch die Art der Nukleinbase. Todds erforschte die Nukleotide Ende der 1940er Jahre. Seine Kollegen Watson und Crick, die ebenfalls an der Universität Cambridge arbeiteten, konnten direkt auf seine Ergebnisse zur Chemie und dem Aufbau der Nukleotide zurückgreifen.

Innerhalb von zwei Jahren lösten Watson und Crick das Rätsel, wie die DNA aufgebaut ist. Für ihre Leistung, die Struktur als zwei sich schraubenförmig umwindende Stränge zu identifizieren, erhielten Watson, Crick und Maurice Wilkins (1916-2004), der mit Rosalind Franklin zusammengearbeitet hatte, 1962 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Todd war in der Hinsicht früher erfolgreich: Er nahm 1957 den Nobelpreis für Chemie entgegen.

Todd erforschte in seiner Laufbahn nicht nur Nukleinsäuren, sondern untersuchte vor allem die Rolle der Nukleotide als Helfersubstanzen bei biochemischen Vorgängen. Dadurch trug er wesentlich zur Erforschung des Stoffwechsels bei. Er erhielt 1954 den Ritterschlag (Sir) und wurde 1962 in den Stand eines Life Peer (Lord) erhoben.

Bild Alexander Todd Nobel
(2. Oktober 1907 – 10. Januar 1997)
Foto@Wikimedia

Source: Wikemedia Commons.