G, C, T, A: Schon Schüler lernen, dass so das genetische Alphabet unseres Erbguts lautet. Doch was von der Natur vorgegeben ist, haben Forscher nun erweitert: Sie entwickelten eine DNA mit acht statt vier Basen. Ihre künstliche Kreation verfügt über wesentliche Eigenschaften des natürlichen Pendants und könnte in Zukunft spannende Möglichkeiten im Bereich der synthetischen Biologie eröffnen – zum Beispiel die Entwicklung völlig neuartiger Proteine und Medikamente.
Die Fähigkeit, genetische Informationen zu speichern, zu vervielfältigen und weiterzuentwickeln ist für das Leben essenziell. In der Natur geschieht dies mithilfe der vier Basen Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin. Abfolgen dieser Buchstaben bilden den genetischen Bauplan aller Organismen auf der Erde. Doch Forscher wollen dieses Alphabet unseres Erbguts erweitern: Sie arbeiten seit einigen Jahren daran, zusätzliche Buchstaben in die DNA-Doppelhelix einzubauen. Einem Team um Shuichi Hoshika von der Foundation for Applied Molecular Evolution in Alachua ist in diesem Zusammenhang nun ein weiterer Erfolg gelungen. Sie haben das genetische Alphabet verdoppelt – indem sie eine synthetische DNA mit vier statt acht Basen kreiert haben.
Vier zusätzliche künstliche Basen
Die Wissenschaftler nennen ihre Entwicklung “Hachimoji”. Das ist Japanisch und bedeutet so viel wie “acht Buchstaben”. Eine Hachimoji-Helix besteht aus den vier natürlichen Nukleinbasen sowie vier synthetischen, die mit den Buchstaben “Z”, “P”, “S” und “B” bezeichnet werden. Das Wichtige dabei: Obwohl diese DNA eine künstliche Kreation ist, verfügt sie über alle wesentlichen Eigenschaften ihres natürlichen Pendants. Tests ergaben, dass sich die Basen der Hachimoji-DNA nach einem vorhersagbaren Muster paaren: Sie formen vier komplementäre Paare und bilden mit ihrem jeweiligen Partner Wasserstoffbrücken aus.
Außerdem sind die künstlichen Bausteine so aufgebaut, dass sie sich nahtlos in die natürliche Doppelhelix einfügen und eine regelmäßige Struktur entsteht, wie die Forscher berichten. Ein entscheidendes Merkmal, wie Hoshikas Kollege Steven Benner erklärt: “Schon Schrödinger sagte vorher: Egal welches genetische Polymer eine Lebensform nutzt, seine Informations-enthaltenen Bausteine müssen alle dieselbe Form und Größe besitzen.” Und noch eine bedeutende Eigenschaft hat die Hachimoji-DNA: Sie lässt sich mithilfe einer Poymerase in RNA transkribieren, wie Versuche zeigten.
Basis für neuartige Biomoleküle
Damit erfüllt die synthetische DNA wichtige Voraussetzungen, um als Baustein des Lebens fungieren zu können. Astrobiologen schließen nicht aus, dass es irgendwo draußen im Weltall tatsächlich Lebensformen gibt, deren genetischer Bauplan auf einem Code aus mehr als vier Buchstaben basiert. “Unsere Arbeit legt nahe, dass dies zumindest theoretisch möglich wäre”, konstatiert Andrew Ellington von der University of Texas in Austin. Dafür müsste diese außerirdische DNA allerdings eine Fähigkeit besitzen, über die Hachimoji noch nicht verfügt: Sie müsste selbsterhaltend sein. Die synthetische DNA des Teams könnte sich in einem Organismus außerhalb des Labors nicht selbständig vermehren – denn sie ist auf Bausteine angewiesen, die es in der Natur so nicht gibt.
Nach Ansicht der Wissenschaftler bietet die um vier Basen erweiterte DNA vor allem vielversprechende Möglichkeiten im Bereich der synthetischen Biologie – sei es als Informationsspeicher oder zur Entwicklung neuartiger Biomoleküle, Proteine und Medikamente. Die ebenfalls an der Studie beteiligte Firma Firebird Biomolecular Sciences arbeitet bereits an der Umsetzung solcher Anwendungen. “Diese Arbeit hat das Potenzial, die Gesundheit der Menschen zu beeinflussen”, sagt Produktentwickler Mark Poritz.
Quelle: Shuichi Hoshika (Foundation for Applied Molecular Evolution) et al., Science, doi: 10.1126/science.aat0971
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