DNA-Doppelhelix: Schlüssel zum Erbgut

DNA-Doppelhelix: Schlüssel zum Erbgut

 

Am 25. April des Jahres 1953 erscheint in der britischen Wissenschaftszeitschrift »Nature« der Bericht zweier Forscher aus Cambridge. Er beginnt mit dem Satz: »Wir möchten hiermit eine Struktur für das Salz der Desoxyribonucleinsäure (abgekürzt DNA für deoxyribonucleic acid) vorschlagen.« Nach der kurzen chemischen Beschreibung endet der Bericht: »Es ist uns nicht entgangen, dass die spezifische Paarung, die wir postuliert haben, einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material unmittelbar nahe legt.« Die Autoren dieser Arbeit: der britische Physiker Francis Crick und der amerikanische Biochemiker James D. Watson.

 

Mit mehr Understatement lässt sich kaum beschreiben, was die beiden Forscher am Abend des 28. Februar im nahe gelegenen »Eagle-Pub« mit einem Whisky begossen, nachdem sie zuvor im Labor die Grundgestalt der DNA als Doppelschraubenmolekül gefunden hatten: die Doppelhelix. 1962 sollten sie mit Maurice Wilkins für ihre Arbeit den Medizinnobelpreis erhalten, doch die Bedeutung ihres Fundes war allen Fachkollegen sofort klar, sobald sie auch nur kurz auf das provisorische DNA-Modell im Labor der beiden blickten. Watson und Crick gelang es, die räumliche Struktur des wichtigsten Moleküls des Lebens, der Erbsubstanz, scheinbar spielerisch zu entschlüsseln. Aus dieser räumlichen Struktur, darauf spielt der Schlusssatz in ihrem Beitrag an, ließ sich bereits wenige Jahre später der genetische Code, die Sprache des Erbguts, ableiten; die Struktur war die Voraussetzung, um zu erkennen, wie und auf welchem Weg die Information, die in der DNA gespeichert ist, zur Synthese der Grundbausteine aller Zellen, der Eiweiße oder Proteine, benutzt wird; sie schuf letztlich die Basis, um Erbinformation von einem Organismus auf den anderen zu übertragen und diese Erbinformation abzuändern. Es ist daher gerechtfertigt, das Watson-Crick-Modell der DNA als die bedeutsamste biologische Entdeckung des 20. Jahrhunderts anzusehen.

 

 Ein »dummes Molekül«

 

Die Geschichte der DNA beginnt 1869. In diesem Jahr entdeckt der Basler Biologe Friedrich Miescher in Samenzellen von Forellen und in weißen Blutzellen eine merkwürdige Substanz. Er nennt sie Desoxyribonucleinsäure. Welche biologische Funktion sie haben könnte, bleibt ihm verborgen. Es soll 75 Jahre dauern, bis 1944 der amerikanische Genetiker Oswald Avery anhand seiner Versuche erkennt, dass die DNA der Träger der Erbsubstanz sein muss. Seine Ergebnisse stoßen auf Skepsis, denn alles, was Chemiker seit Mieschers Entdeckung über den Aufbau der DNA herausfanden, spricht nicht gerade dafür, dass sie die Erbsubstanz sein könnte. Bis zu Beginn der 30er-Jahre ermitteln Forscher alle Bestandteile: Man analysiert den Zucker als Desoxyribose, findet zudem Phosphorsäure und die vier Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.

 

Wie soll eine so langweilige Substanz, die der berühmte Genetiker Max Delbrück »dummes Molekül« nannte, die Vielfalt des Lebens hervorbringen? Viele Biologen favorisieren denn auch die scheinbar erheblich vielfältiger aufgebauten Proteine als Träger der Erbsubstanz. Doch Averys Befunde erweisen sich als korrekt; Ende der 40er-Jahre steht endgültig fest: Die DNA ist die Erbsubstanz. Obwohl sich daraufhin viele Biologen erneut dem »dummen Molekül« zuwenden, kommen sie kaum voran. 1952 veröffentlichen Alexander Todd und Dan Brown das Ergebnis ihrer mehr als acht Jahre dauernden Analyse des DNA-Moleküls: Demnach bildet die Desoxyribose mit der Phosphorsäure das Molekülgerüst; die Basen stellen sie sich als Anhängsel vor. Die DNA-Forschung steckt in einer Sackgasse: Man kennt die Bestandteile der DNA, weiß jedoch nicht, wie diese räumlich verknüpft sind.

 

 Der Wettlauf um die Raumstruktur beginnt

 

Die zu dieser Zeit einzige Methode zur Analyse von Raumstrukturen großer Biomoleküle ist die Röntgenstrukturanalyse. Man bestrahlt dazu Kristalle der zu untersuchenden Biomoleküle mit Röntgenstrahlen. Diese werden am Kristallgitter, je nach dessen Struktur, unterschiedlich gebeugt. So entstehen Fotos mit Beugungsmustern, die Aufschluss über die räumliche Anordnung des Moleküls geben. Anfang der 50er-Jahre arbeiten Wisserschaftler an mindestens vier Orten auf der Welt am Strukturrätsel DNA: In den USA sind es Erwin Chargaff und Linus Pauling, in Großbritannien Maurice Wilkins und Rosalind Franklin in London sowie Watson und Crick in Cambridge.

 

Chargaff macht 1952 eine bedeutende Entdeckung, die er jedoch nicht zu nutzen versteht. Der Biochemiker entdeckt, dass in der DNA die Basen Adenin und Thymin einerseits sowie die Basen Guanin und Cytosin andererseits immer im gleichen Mengenverhältnis auftreten. Nur das Mengenverhältnis der beiden Paare Adenin/Thymin zu Guanin/Cytosin variiert. Pauling, zu der Zeit bereits ein anerkannter Biochemiker, entdeckt eine der wichtigsten Raumstrukturen, in denen viele Proteine auftreten, die einkettige Schraubenform, Alphahelix genannt. Watson und Crick, beide noch unbeschriebene Blätter in der Forschung, fürchten, dass ihnen der brillante Pauling zuvorkommen könnte. In London führen Wilkins, als Chef, und Rosalind Franklin, eine auf ihre Unabhängigkeit bedachte Forscherin, einen Kleinkrieg im Labor. Der Röntgenkristallographin gelingen die bis dahin besten Beugungsmuster einer DNA. Wegen des Konflikts mit Wilkins verschließt sie sich jedoch jeglichem Gedankenaustausch.

 

Wilkins, der mit Crick befreundet ist, möchte lieber mit dem Forscherduo aus Cambridge als mit seiner Londoner Mitarbeiterin kooperieren. So gelangen Crick und Watson schließlich an Franklins Beugungsmuster der DNA. Nun verfügen beide Forscher über alle Puzzlesteine, aus denen sie das vollständige, räumliche Bild der DNA zusammensetzen. Im Gegensatz zu Rosalind Franklin lieben Watson und Crick die wissenschaftliche Diskussion. Langwierige, von vielen Frustrationen begleitete Laborarbeit, so wie Franklin sie sich aufbürdet, ist ihre Sache nicht. Ihre Strategie ist weitaus intuitiver, chaotischer. Doch bei der Lösung des Raumstrukturrätsels erweist sich dieses Vorgehen schließlich als erfolgreicher.

 

 Das Puzzle fügt sich zusammen

 

Aus Franklins Beugungsmustern folgern sie, dass die DNA aus zwei und nicht nur aus einer spiraligen Kette bestehen muss, wobei die beiden Ketten entgegengesetzt verlaufen müssen. So ergibt sich zunächst das Bild einer Doppelwendel. Chargaffs Paarungsregel der Basen interpretieren die beiden so, dass die mengenmäßig jeweils gleich häufigen Basen sich gegenüberstehen könnten. An der Struktur von Adenin und Thymin sowie von Cytosin und Guanin erkennen die beiden auch, dass sich die jeweils gepaarten Basen über zwei beziehungsweise drei Wasserstoffbrücken miteinander verbinden können.

 

Am atomaren Drahtgittermodell, dass die beiden anfertigen, erkennen sie die Lage der Basen zum Grundgerüst: Jede Base ist chemisch über die Phosphorsäuremoleküle mit dem Molekülgerüst verbunden und nach innen orientiert. Dadurch stehen sich innerhalb des geschraubten Moleküls entweder ein Adenin und ein Thymin oder ein Guanin und ein Cytosin gegenüber, die Doppelwendel entpuppt sich als verdrillte, molekulare Strickleiter mit zwei gegenläufig orientierten, schraubenartig verdrehten Phosphorsäure-Zucker-Gerüsten als den beiden Holmen und den über Wasserstoffbrücken verbundenen Basenpaaren als Sprossen.

 

Nachfolgende Detailuntersuchungen bestätigten diese Struktur. Das Erbsubstanzmolekül DNA war entschlüsselt, und seine räumliche Anordnung legte den Biologen unmittelbar nahe, wie sich die Erbinformation bei der Zellteilung identisch kopiert: Die beiden durch Wasserstoffbrücken zusammengehaltenen DNA-Stränge trennen sich wie ein Reißverschluss auf. An den beiden Einzelsträngen können sich DNA-Einzelbausteine anlagern, garantiert durch die Basenpaarung entsteht ein komplementärer Strang. Die Raumstruktur legte zudem nahe, wie sich die Information für den Aufbau der Proteine aus ihren insgesamt 20 Aminosäuren in der DNA kodieren lässt. Ein DNA-Abschnitt mit jeweils drei Basen muss die kleinste Informationseinheit des genetischen Codes sein, so ergeben sich bei den vier Basen 4³ = 4 × 4 × 4 = 64 Möglichkeiten - mehr als genug für die 20 Aminosäuren, deren Aufeinanderfolge jedes bekannte Protein chemisch hinreichend bestimmt und damit etwas derartig Komplexes wie unser gesamtes Erbgut festlegt.

 

Rolf Andreas Zell