Was ist DNA?
1953 gingen zwei Biochemiker, James Watson und Francis Crick, in ein Pub in Cambridge und erklärten:„Wir haben das Geheimnis des Lebens entdeckt!“
Sie haben nicht übertrieben. Sie hatten die Struktur der DNA herausgearbeitet und damit viele der Geheimnisse entschlüsselt, wie Lebewesen sich selbst herstellen und replizieren.
DNA, oder um ihren vollständigen Namen zu verwenden, Desoxyribonukleinsäure, befindet sich im Herzen jeder Zelle jedes Lebewesens. Es enthält alle Anweisungen für einen Organismus, um sich selbst aufzubauen, zu erhalten und zu reparieren. Durch Vervielfältigung und Weitergabe ihrer DNA können Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen ihre Eigenschaften an ihre Nachkommen weitergeben.
Beim Menschen stammt die Hälfte der DNA in unseren Zellen von unserer Mutter und die andere Hälfte von unserem Vater. Deshalb erben wir von beiden Elternteilen eine Mischung von Merkmalen.
DNA ist ein enorm langer und komplexer Code, und jeder ist einzigartig. Dieser „genetische Code“ kann uns viele Dinge verraten, einschließlich Details über Abstammung und potenzielle Gesundheitsprobleme.
Unser Verständnis der DNA hat die gesamte Biologie revolutioniert. Es hat Wissenschaftlern ermöglicht, zu messen, wie eng Organismen miteinander verwandt sind, was dazu beigetragen hat, Charles Darwins Evolutionstheorie sowohl zu bestätigen als auch zu verfeinern.
Wie funktioniert DNA?
Die Bestimmung der Struktur des DNA-Moleküls war der Schlüssel, um herauszufinden, wie es funktioniert. Davor hatten Wissenschaftler keine Ahnung, wie diese dichte, faserige Substanz so unterschiedliche Eigenschaften wie die menschliche Haarfarbe oder die Form eines Vogelschnabels kontrolliert.
Watson und Crick fanden heraus, dass ein DNA-Molekül wie eine sehr lange, verdrehte Leiter in einer Struktur angeordnet ist, die wir Doppelhelix nennen. Jede „Sprosse“ der Leiter besteht aus einem Basenpaar – zwei verbundenen chemischen Bausteinen, den Nukleotiden. Es gibt vier verschiedene Arten dieser Nukleotide:Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin.
Wir nennen diese A, C, G und T. Ein A-Nukleotid ist immer mit einem T verknüpft, während ein C immer mit einem G verknüpft ist. Die genaue Reihenfolge, in der die Buchstaben auf der Leiter angeordnet sind, variiert und bildet einen enorm langen Code. Die menschliche DNA hat ungefähr drei Milliarden „Sprossen auf der Leiter“.
Mit moderner Technologie können wir DNA aus Zellen extrahieren und die genaue Reihenfolge der Basenpaare entschlüsseln, was uns eine außergewöhnlich lange Kette von Buchstaben A, C, T und G liefert. Dieser komplexe Code wird für jeden Menschen und jeden Organismus anders sein (außer eineiige Zwillinge) und ist als unsere DNA-Sequenz oder unser Genom bekannt.
Um zu verstehen, wie DNA funktioniert, müssen wir zuerst Proteine verstehen. Proteinmoleküle erfüllen viele der verschiedenen Aufgaben in unseren Zellen und tragen dazu bei, viele der komplizierten Strukturen im Körper zu schaffen.
Es gibt viele verschiedene Arten von Proteinen, aber sie bestehen alle aus langen Ketten chemischer Bausteine, die Aminosäuren genannt werden.
Der von der DNA gebildete genetische Code ist wie eine Sprache, die den Zellen sagt, wie sie die benötigten Proteine aufbauen sollen. Verschiedene Drei-Buchstaben-Kombinationen in der DNA stehen für verschiedene Arten von Aminosäuren – zum Beispiel ist die Sequenz „GCA“ der Code für eine Aminosäure namens Alanin und „TGT“ steht für eine Aminosäure namens Cystein.
Die molekulare Maschinerie innerhalb der Zelle „scannt“ die DNA-Sequenz eines Gens. Alle drei Buchstaben fügt es die entsprechende Aminosäure an eine Kette an. Es gibt sogar DNA-Abschnitte, die „Stopp“ bedeuten – das Protein ist fertig.
Verschiedene Kombinationen von Aminosäuren erzeugen Proteine mit sehr unterschiedlichen Funktionen – von winzigen chemischen Botenstoffen wie Hormonen bis hin zu den zähen, wichtigen Molekülen, die Haare, Haut und Muskeln bilden. Proteine können auch als Katalysatoren für wichtige chemische Reaktionen fungieren oder Minimaschinen erschaffen, die sehr spezifische Aufgaben innerhalb von Zellen erfüllen.
Es gibt Hunderttausende verschiedener Proteine im menschlichen Körper und viele, viele Millionen mehr in der natürlichen Welt. Variationen in unseren Genen verursachen Variationen in den Proteinen, die unsere Zellen produzieren, was wiederum zu Unterschieden in den Eigenschaften führt.
Was sind Gene?
Gene sind Abschnitte unserer DNA-Sequenz, die den Code für ein bestimmtes Protein enthalten, das normalerweise mit einer bestimmten Funktion oder körperlichen Eigenschaft verbunden ist. Beim Menschen hat beispielsweise ein als „OCA2“ bekannter DNA-Abschnitt einen starken Einfluss auf die Augenfarbe einer Person.
Variationen in diesen Teilen unserer DNA führen zu den unterschiedlichen Merkmalen, die wir bei Individuen sehen. Zum Beispiel haben Menschen mit blauen Augen eine andere DNA bei „OCA2“ als Menschen mit braunen Augen.
Ein weit verbreitetes Missverständnis über Gene ist, dass ein Gen für eine Eigenschaft verantwortlich ist, was eigentlich sehr ungewöhnlich ist. Häufiger resultieren körperliche Merkmale aus einer Kombination vieler Gene. Wissenschaftler können untersuchen, was ein Gen tut, indem sie es entfernen oder die Sequenz von Basenpaaren ändern, normalerweise unter Verwendung von Tieren wie Fruchtfliegen, Würmern oder Mäusen.
Diese „mutierten“ Tiere werden dann untersucht, um zu sehen, was an ihnen anders ist.
Wie repliziert sich DNA?
Die Entdeckung der „Doppelhelix“-Struktur der DNA trug dazu bei, die wunderbar einfache Art und Weise aufzudecken, wie sich ein DNA-Molekül selbst repliziert. Mit Hilfe anderer Chemikalien in der Zelle entdrillt sich die Doppelhelix und die beiden Stränge teilen sich in der Mitte wie ein Reißverschluss.
Da sich A immer mit T und C mit G paart, bilden beide Stränge dann eine exakte Kopie, da mehr Nukleotide an die entsprechende Stelle gegenüber den frisch gespaltenen Strängen gezogen werden.
Dieser Replikationsprozess ist von entscheidender Bedeutung, da sich Zellen ständig teilen und replizieren. Wenn DNA falsch kopiert wird, haben die resultierenden Zellen Anweisungen durcheinander und können unkontrolliert wachsen. So beginnt oft ein bösartiger Tumor.
Was sind Chromosomen?
Bei Tieren und Pflanzen ist die DNA-Menge in jeder Zelle so groß, dass sie geschickt in X-förmige Bündel, sogenannte Chromosomen, verpackt werden muss.
Diese Strukturen wickeln und falten die DNA, sodass sie nicht zu viel Platz einnimmt, während sie der Zelle dennoch den Zugriff auf alle wichtigen Teile des Codes ermöglichen.
Wenn es nicht in Chromosomen verpackt wäre, glauben Wissenschaftler, dass sich die DNA in einer menschlichen Zelle über mehr als 1,5 m erstrecken könnte.
Beim Menschen ist unser gesamter genetischer Code auf 23 Chromosomen verteilt. Jeder von uns erbt einen 23er-Satz von unserer Mutter und einen weiteren 23er-Satz von unserem Vater, sodass jede Zelle 46 Chromosomen enthält. Wenn Menschen mit zu vielen oder zu wenigen Chromosomen geboren werden, kann dies gesundheitliche Probleme verursachen.
Zum Beispiel haben Menschen mit Down-Syndrom drei Chargen von Chromosom 21 anstelle von einem Paar.
Die Geschlechtschromosomen sind etwas anders. Einer heißt X und einer heißt Y. Männer haben jeweils eine Kopie, X und Y, während Frauen zwei Kopien von X haben.
Wenn ein Spermium mit einer Eizelle verschmilzt, erhält die neue Zelle eines von jedem Chromosom von jedem Elternteil. Es wird also 23 Paare oder 46 Chromosomen haben, mit entweder zwei X-Chromosomen (weiblich) oder einem X und einem Y (männlich).
Verschiedene Organismen haben eine unterschiedliche Anzahl von Genen und Chromosomen in ihren Zellen. Mücken haben nur sechs Chromosomen, während eine Farnart, die als „Natternzunge“ bekannt ist, über 1.000 hat – obwohl niemand wirklich weiß, warum sie so viele braucht.
Bestimmen unsere Gene alles über uns?
Wissenschaftler und Philosophen streiten seit Jahrhunderten darüber, ob unser Leben von der Natur oder von der Erziehung bestimmt wird.
Der einfachste Weg, diese Frage zu beantworten, ist zu sagen, dass wir ein Produkt einer Kombination unserer ererbten Gene und unserer Umwelt sind.
Eine kleine Anzahl von Genen wurde mit bestimmten Charaktereigenschaften wie hoher Intelligenz oder extrem asozialem Verhalten in Verbindung gebracht, aber die Beweise sind begrenzt. Es ist wahrscheinlicher, dass viele Gene zusammenwirken, um unsere Persönlichkeit zu beeinflussen, und die Erfahrungen und Ereignisse unseres Lebens prägen auch die Funktionsweise unseres Gehirns.
Obwohl die DNA-Sequenz jedes Menschen einzigartig ist, sind große Teile davon bei Menschen und sogar Tieren identisch. Tatsächlich sind etwa 95 % unseres Genoms mit dem eines Schimpansen identisch, während 25 % mit dem einer Traube identisch sind.
Die genetische Variation zwischen einzelnen Menschen ist sehr gering – nur 0,1 Prozent der drei Milliarden Basenpaare sind unterschiedlich, wenn man zwei Menschen vergleicht. Doch diese Variation führt zu scheinbar unendlichen Erscheinungen.
Um die Sache noch komplizierter zu machen, zeigt das relativ neue Gebiet der „Epigenetik“ zunehmend, dass unsere Gene zu verschiedenen Zeiten unseres Lebens unterschiedlich exprimiert – ein- und ausgeschaltet – werden können, was bedeutet, dass die Art und Weise, wie unsere Gene funktionieren, noch komplexer ist, als wir zunächst dachten .
Bestimmt DNA die Evolution?
Die Tatsache, dass DNA sich selbst replizieren kann, ist von zentraler Bedeutung für die Evolution allen Lebens auf der Erde. Als sich frühe Organismen selbst replizierten, schufen Unvollkommenheiten im DNA-Kopierprozess neues Leben mit Variationen in ihrem genetischen Code – was zu leicht unterschiedlichen Eigenschaften und Merkmalen in jeder Generation führte.
Alle Eigenschaften, die dem Organismus einen Vorteil verschafften, überlebten eher und wurden weitergegeben. Organismen, die durch ihre Variationen behindert würden, würden mit größerer Wahrscheinlichkeit sterben oder sich nicht vermehren.
Über Generationen florierten und replizierten sich die erfolgreichen DNA-Sequenzen, während die nicht so guten DNA-Sequenzen in den evolutionären Mülleimer geworfen wurden.
Das Leben auf der Erde wurde immer vielfältiger und komplexer, wobei die erfolgreichsten Varianten in jeder Generation ihre Gene an die nächste weitergaben. Charles Darwin beschrieb dies als „natürliche Auslese“, lange bevor die DNA entdeckt wurde.
Was können wir mit DNA machen?
Wir verwenden DNA bereits für eine Reihe äußerst nützlicher Anwendungen, die uns etwas über unsere Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft erzählen können:wie unsere Vorfahren waren, welche Medikamente wir nehmen oder vermeiden sollten und welche Krankheiten wir in vielen Jahren bekommen könnten.
Wir können es auch verwenden, um Vaterschaftsstreitigkeiten beizulegen oder Kriminelle zu fangen, indem wir nach winzigen DNA-Mengen suchen, die an einem Tatort gefunden wurden.
Aber das ist nur der Anfang. Da die DNA-Sequenzierung erheblich einfacher und billiger wird, ist das, was einst undenkbar war, jetzt überaus möglich. Wissenschaftler können bereits jetzt personalisierte Medikamente entwickeln, die auf Ihre exakte Kombination von Genen zugeschnitten sind.
Sie lesen die Genome von Krebszellen, um mehr über sie zu erfahren und sie zu bekämpfen. Gentherapie kann verwendet werden, um genetische Störungen zu bekämpfen, indem neue Gene in die DNA von Menschen eingefügt werden.
In Zukunft könnten Biologen völlig neue Organismen schaffen, die nur existieren, um nützliche Produkte für uns herzustellen. Möglicherweise können wir sogar das Genom unserer Nachkommen bearbeiten – nicht nur, um zu garantieren, dass unsere Kinder frei von genetischen Störungen sind, sondern auch, um sicherzustellen, dass sie die gewünschten Eigenschaften haben.