Die DNA-Geschichte

Die Entdeckung der Struktur der DNA wurde diesen Monat vor 50 Jahren bekannt gegeben. Aber die Geschichte begann schon viele Jahre vorher, sagt Susan Aldridge

Am 25. April 1953 erschien in Nature ein Artikel, der die Biowissenschaften verändern sollte – von der Biochemie über die Landwirtschaft bis hin zur Medizin und Genetik. James Watson und Francis Crick, damals an der Universität Cambridge, berichteten über die Entdeckung der Struktur der DNS (Desoxyribonukleinsäure) – des Moleküls, aus dem die Gene bestehen.

Crick und Watson nutzten den Modellbau, um die inzwischen berühmte Doppelhelix der DNS aufzudecken, aber die röntgenkristallographischen Daten von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins am King’s College in London waren für die Entdeckung entscheidend. Der Durchbruch war auch den Fortschritten in den biochemischen Techniken, der Mikroskopie, der chemischen Analyse und den Theorien über chemische Bindungen zu verdanken, die seit Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt worden waren. Die wahre Bedeutung der DNA-Struktur wurde etwa zur gleichen Zeit durch die endgültige Beilegung einer jahrzehntelangen Kontroverse darüber unterstrichen, ob die DNA oder das Protein das „Lebensmolekül“ sei.

Die DNA-Saga begann 1869, als der Schweizer Biochemiker Friedrich Miescher eine neue Substanz aus den Kernen weißer Blutkörperchen isolierte. Die Forscher wussten seit kurzem, dass Zellen die Grundeinheit des Lebens sind, und Miescher interessierte sich für ihre chemischen Bestandteile. Jeden Morgen holte er in der örtlichen Klinik schmutzige Verbände ab, die in der Zeit vor der Antiseptik mit Eiter getränkt waren – eine gute Quelle für die weißen Blutkörperchen mit ihren großen Zellkernen. Durch die Zugabe von Alkali platzten die Zellkerne auf und gaben ihren Inhalt frei, aus dem Miescher die DNA extrahierte (die er Nuclein nannte).

Die Analyse dieses Nucleins zeigte, dass es eine phosphorhaltige Säure war, die in keine der bekannten Gruppen biologischer Moleküle wie Kohlenhydrate und Proteine passte. Miescher berechnete seine Formel als C29H49O22N9P3 – eine grobe Unterschätzung, die die Tatsache widerspiegelt, dass die DNA ein langes, zerbrechliches Molekül ist, das leicht fragmentiert. Miescher muss eines der Fragmente für die Bestimmung der Formel verwendet haben. Nuclein wurde in Nukleinsäure umgetauft, und trotz seiner chemischen Neuheit wurde seine biologische Bedeutung erst nach vielen Jahrzehnten voll erkannt.

In der Zwischenzeit gab die Zelle dank der Entwicklungen in der Mikroskopie weiterhin ihre Geheimnisse preis. 1879 entdeckte der deutsche Biologe Walther Flemming im Zellkern winzige fadenförmige Strukturen, das so genannte Chromatin (später Chromosomen genannt), das so genannt wurde, weil es die Farbe der neuen Färbemittel, die zur Darstellung der Zellbestandteile verwendet wurden, leicht aufnahm. Studien zur Zellteilung sollten die Schlüsselrolle der Chromosomen bei der Vererbung aufdecken – wie sie sich verdoppeln, bevor sich die Zelle teilt, und sich dann in zwei Sätze teilen, wobei sie eine neue Kopie in jede „Tochterzelle“ mitnehmen.

Weitere Analysen legten nahe, dass Chromosomen DNA enthielten, was einen anderen deutschen Forscher, Oskar Hertwig, dazu veranlasste, zu erklären, dass „Nuklein die Substanz ist, die … für die Übertragung der Erbmerkmale verantwortlich ist“. Nicht alle stimmten dem zu – so auch Miescher. Chromosomen enthalten auch Proteine, und die Biochemiker begannen gerade erst zu erkennen, was für große, komplexe Moleküle Proteine sind. Die Zerbrechlichkeit der DNA sollte die ihr zugrunde liegende Komplexität noch viele Jahre lang verbergen.

Wahrscheinlich war Miescher der erste, der die Idee eines chemischen Codes vorbrachte, der biologische Informationen von einer Zelle zur anderen weitergibt, aber er, wie viele andere nach ihm, glaubte, dass nur Proteine in der Lage seien, einen solchen Code zu tragen.

Um 1900 war bekannt, dass die Grundbausteine der DNA aus Phosphat, einem Zucker (der sich später als Desoxyribose herausstellte) und vier heterozyklischen Basen bestanden – von denen zwei Purine und die anderen beiden Pyrimidine waren.

Es war Phoebus Levene vom Rockefeller Institute in New York, ein ehemaliger Schüler des russischen Chemikers und Komponisten Alexander Borodin, der zeigte, dass die Bestandteile der DNA in der Reihenfolge Phosphat-Zucker-Base miteinander verbunden sind. Er bezeichnete jede dieser Einheiten als Nukleotid und vertrat die Auffassung, dass das DNA-Molekül aus einer Kette von Nukleotideinheiten besteht, die durch die Phosphatgruppen, die das „Rückgrat“ des Moleküls bilden, miteinander verbunden sind.

Die außergewöhnliche Länge des DNA-Moleküls wurde jedoch erst im 20. Jahrhundert erkannt. Heute wissen wir, dass die DNA einer menschlichen Zelle aneinandergereiht ein Molekül von etwa 1 m Länge ergeben würde. Selbst ein einfacher Organismus wie das Bakterium E. coli hat ein DNA-Molekül von knapp über 1 mm Länge. Miescher hatte dies natürlich nicht erkannt, ebenso wenig wie Levene, der darauf bestand, dass die DNA ein relativ kleines Molekül sei – wahrscheinlich etwa 10 Nukleotide lang.

Levene war auch davon überzeugt, dass die Mengen der vier Basen in allen DNA-Molekülen gleich waren, unabhängig von ihrer Herkunft. Selbst als die schwedischen Forscher Torbj?rn Caspersson und Einar Hammersten in den 1930er Jahren zeigten, dass die DNA ein Polymer ist, glaubten die meisten Menschen weiterhin an Levenes „Tetranukleotid-Hypothese“. Selbst wenn die DNA Millionen von Nukleotiden enthielte, glaubte man, dass sie in einer monotonen und vorhersehbaren Weise angeordnet seien, die keinen bedeutenden Informationsgehalt haben könne. Levenes Zeitgenosse, der große deutsche Chemiker Emil Fischer, hatte gezeigt, dass Proteine aus Aminosäuren bestehen, die in verschiedenen Sequenzen miteinander verbunden sind. Es sah mehr und mehr so aus, als ob die Proteine den genetischen Code trugen, während die DNA eine unterstützende Rolle in den Chromosomen spielte.

Einen Durchbruch erzielten Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarty, ein Team von medizinischen Mikrobiologen am Rockefeller Institute in New York. Sie versuchten, die Natur des „transformierenden Prinzips“ zu identifizieren, einer Substanz, die der englische Mikrobiologe Fred Griffith 1928 entdeckt hatte. Griffith hatte mit zwei Arten von Pneumokokken experimentiert, den Bakterien, die Lungenentzündungen verursachen (in der Zeit vor Antibiotika sehr gefürchtet).

Die eine Form – aufgrund ihres Aussehens bei der Kultivierung in Petrischalen als „glatte Form“ bezeichnet – war als pathogen bekannt, während die zweite, „raue“ Form harmlos war. Zu seiner Überraschung stellte Griffith fest, dass das Mischen lebender rauer Bakterien mit abgetöteten glatten Pneumokokken die rauen Pneumokokken in eine virulente glatte Form verwandeln konnte. Offensichtlich war eine Substanz – das transformierende Prinzip (mit anderen Worten: Gene) – von den glatten Bakterien auf die rauen Bakterien übergegangen. Mit Hilfe von Enzymen, die bestimmte Zellbestandteile aufspalten, konnten Avery und sein Team durch einen Eliminierungsprozess nachweisen, dass die DNA und nicht das Protein das transformierende Prinzip war.

Auch Physiker hatten zu dieser Debatte beigetragen – so stellte Erwin Schrödinger in seinem einflussreichen Buch Was ist Leben? das Konzept des „aperiodischen Kristalls“ vor. Einfache Kristalle wie Natriumchlorid können keine genetische Information tragen, da ihre Ionen in einem periodischen Muster angeordnet sind. Schr?dinger schlug vor, den „Bauplan“ des Lebens in einer Verbindung zu finden, deren Bestandteile in einer langen, unregelm?ssigen Sequenz angeordnet sind, die Informationen in Form eines genetischen Codes enth?lt, eingebettet in ihre chemische Struktur. Proteine waren der offensichtliche Kandidat für den aperiodischen Kristall, wobei die Aminosäuresequenz den Code lieferte. Mit Averys Entdeckungen rückte nun die DNA als alternative Wahl für das genetische Material in den Mittelpunkt.

Die Forschung zur Bestimmung der Struktur der DNS gewann an Dringlichkeit (auch wenn die endgültige Bestätigung ihrer zentralen Rolle durch die Experimente von Alfred Hershey und Martha Chase in den USA in den frühen 1950er Jahren noch ausstand). Der österreichische Chemiker Erwin Chargaff zum Beispiel war von Averys Arbeit tief beeindruckt. Er schrieb: „Ich sah vor mir in dunklen Umrissen den Beginn einer Grammatik der Biologie. Avery gab uns den ersten Text einer neuen Sprache, oder besser gesagt, er zeigte uns, wo wir ihn suchen sollten. Ich beschloss, nach diesem Text zu suchen.‘ Chargaff leistete Pionierarbeit bei der Papierchromatographie von Nukleinsäuren und nutzte sie, um den Anteil der einzelnen Nukleotide in einer DNA-Probe zu bestimmen. Die Tetranukleotid-Hypothese von Levene konnte er schnell widerlegen. Jede Spezies unterscheidet sich in der Menge an A, C, G und T – aber innerhalb der Spezies sind die Anteile der einzelnen Nukleotide identisch, unabhängig davon, aus welchem Gewebe die DNA entnommen wurde. Es war genau das, was man bei einem Molekül, das die biologische Signatur einer Art darstellt, erwarten konnte.

Noch bedeutsamer war Chargaffs weitere Entdeckung, dass der Anteil von A in jedem DNA-Molekül immer gleich dem Anteil von T war und dass auch der Anteil von G und C immer übereinstimmte – eine Regel, die als Chargaffs Verhältnisse bekannt wurde. Obwohl Chargaff selbst anscheinend wenig direkten Gebrauch von seinen Erkenntnissen gemacht hat, sollte die Idee der Basenpaarung (A mit T, C mit G) ein entscheidender Schritt bei der Zusammenstellung der dreidimensionalen Struktur der DNA sein.

Die letzte Phase der Lösung des Rätsels der DNA-Struktur stützte sich auf die Röntgenkristallographie. Die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Lösung der Strukturen großer biologischer Moleküle begann mit Dorothy Hodgkins Arbeiten über Penicillin, Lysosym und Vitamin B12 und Max Perutz‘ Arbeiten über Hämoglobin in den 1930er Jahren. Bis 1938 hatte William Astbury, ein Schüler von William Bragg (der zusammen mit seinem Sohn Lawrence die Technik 1913 erfunden hatte), Röntgenbilder von DNA, die jedoch schwer zu interpretieren waren.

In den späten 1940er Jahren arbeiteten drei verschiedene Gruppen intensiv an der DNA-Struktur. Am King’s College in London interessierte sich Maurice Wilkins für die langen Fasern, die die DNS bildet, wenn sie mit einem Glasstab aus einer wässrigen Lösung herausgezogen wird, und er fragte sich, ob dies eine gewisse Regelmäßigkeit in ihrer Struktur bedeutet. Er fertigte weitere Röntgenbilder an und benutzte dazu eine behelfsmäßige Apparatur, wie man sie sich heute kaum noch vorstellen kann. 1951 stieß Rosalind Franklin zu Wilkins, eine britische Physikalische Chemikerin, die bereits durch ihre Arbeiten zur Röntgenkristallographie von Kohlen international bekannt war. Sie machte sich daran, ein eigenes Röntgenlabor am King’s zu errichten und produzierte bald die besten Bilder, die je von der DNA gemacht wurden. Diese brachten sie auf die Idee, dass das DNA-Molekül vielleicht spiralförmig gewunden ist.

Linus Pauling, der US-amerikanische Chemiker und Autor des Buches „Die Natur der chemischen Bindung“, begann, in eine ähnliche Richtung zu denken. Schließlich hatte Pauling bereits schraubenförmige Motive in Proteinstrukturen entdeckt. Ungefähr zu dieser Zeit schlossen sich Francis Crick – mit einem Hintergrund in Mathematik und Physik – und der jüngere James Watson mit Fachkenntnissen in der Molekularbiologie von Phagen (Viren, die Bakterien infizieren und dann als Laborwerkzeug für genetische Studien verwendet wurden) am Cavendish Laboratory in Cambridge zusammen, um die DNA-Struktur selbst zu knacken, indem sie einen Modellbildungsansatz verwendeten.

Sie hatten die Idee, dass die Struktur der DNA es dem Molekül ermöglichen musste, sich während der Zellteilung selbst zu kopieren, so dass eine exakte Kopie ihres Codes – der wiederum in die Struktur eingebettet war – in jede neue Zelle gelangen konnte. Ein Besuch von Chargaff in Cavendish im Jahr 1952 führte zu dem weiteren Gedanken, dass die Basenfolge vielleicht die Gene in einem chemischen Code darstellen könnte. In der Zwischenzeit veröffentlichte Pauling eine Arbeit über die DNA-Struktur, die jedoch einen großen Fehler enthielt (er hatte die Phosphatgruppen nach innen gelegt). Der Eintritt dieses wissenschaftlichen Giganten in das Rennen spornte Crick und Watson zu größeren Anstrengungen an, während Wilkins und Franklin nicht wirklich gut zurechtkamen und kaum Fortschritte bei der DNA machten.

Ein bahnbrechender Moment kam, als Wilkins Watson eines von Franklins Fotos der sogenannten B-Form der DNA zeigte. Frühere Studien hatten die A-Form verwendet, die weniger Wasser enthält und zu Bildern führte, die schwer zu analysieren waren. Dieses Bild hingegen war wunderschön einfach und schien eindeutig auf eine helikale Struktur des Moleküls hinzuweisen. Wie Watson es in seinen berühmten Memoiren ausdrückt: „Als ich das Bild sah, blieb mir der Mund offen stehen und mein Herz begann zu rasen“.

Der Modellbau – mit Metallplatten für die Nukleotide und Stäben für die Bindungen zwischen ihnen – begann nun ernsthaft. Aber Crick und Watson wussten nicht, ob sie ihre Helix mit den Phosphaten innen oder außen bauen sollten, und sie waren unsicher, wie sie Chargaffs Ideen zur Basenpaarung einbeziehen sollten.

Der letzte Hinweis kam von einem anderen Besucher des Cavendish, dem amerikanischen Chemiker Jerry Donohue, der darauf hinwies, dass die Wasserstoffbrückenbindung es ermöglicht, dass sich A an T und C an G bindet. Dies ermöglicht eine Doppelhelixstruktur für die DNA, bei der die beiden Stränge die Basen auf der Innenseite und die Phosphate auf der Außenseite haben.

Das wirklich Schöne an dem Modell, das Crick und Watson aufbauten, war, dass die Struktur sofort auf eine Funktion schließen ließ. Wie sie in ihrem Nature-Artikel andeuteten: ‚Es ist uns nicht entgangen, dass die spezifische Paarung, die wir postuliert haben, einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahelegt‘.

Das DNA-Molekül ist selbstreplizierend (wie einige Jahre später durch Experimente bewiesen wurde), weil es sich in zwei Einzelstränge aufspulen kann. Jede Base zieht dann ihre komplementäre Base durch Wasserstoffbrückenbindungen an, so dass zwei neue Doppelhelixen entstehen.

Franklin und Wilkins wurde der Verdienst an der DNA-Struktur nicht ganz versagt; ihre eigenen Arbeiten wurden zusammen mit denen von Crick und Watson in der gleichen Ausgabe von Nature veröffentlicht. Crick, Watson und Wilkins erhielten 1962 den Nobelpreis für ihre Arbeit (Franklin starb 1958 im Alter von 37 Jahren an Krebs).

Die Entdeckung der DNA-Struktur war der Beginn einer neuen Ära in der Biologie, die in den folgenden zwei Jahrzehnten zur Entschlüsselung des genetischen Codes und zur Erkenntnis führte, dass die DNA die Synthese von Proteinen steuert. Es gab auch technische Fortschritte, wie die DNA-Sequenzierung, die Gentechnik und das Klonen von Genen. In jüngster Zeit wurden die vollständigen Sequenzen vieler Organismen entschlüsselt – darunter im Juni 2000 das menschliche Genom. In den nächsten 50 Jahren der DNA-Geschichte wird es darum gehen, den praktischen Nutzen der Entdeckung von Crick und Watson für die Menschheit zu verwirklichen – in Industrie, Medizin, Ernährung und Landwirtschaft.

Quelle: Chemistry in Britain

Danksagungen

Susan Aldridge

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