DNA zippen

Was tun, wenn sich ein umfangreiches Dokument oder ein hochaufl?sendes Bild nicht per E-Mail verschicken l?sst? ¨C Man zippt es mit einer geeigneten Software auf handliche Gr?sse. ?Anstelle der Information ¡®weiss-weiss-weiss¨Cweiss-weiss-¡­¡¯ f¨¹r jeden einzelnen Pixel einer weissen Linie, wird nur noch die Botschaft ¡®1000mal weiss¡¯ ¨¹bermittelt?, erkl?rt Kobi Benenson, Leiter der Gruppe Synthetische Biologie am ETH-Departement Biosysteme in Basel. Beim Empf?nger angekommen, l?sst sich die Information wieder auf die urspr¨¹ngliche Gr?sse aufblasen, also entzippen.

Limitierte Transportkapazit?t

Dieses Verfahren bei digitalen Daten inspirierte Benenson und seinen Mitarbeiter Nicolas Lapique zu einer neuartigen L?sung f¨¹r biologische Systeme: Sie t¨¹ftelten eine Methode aus, mit der sich die Erbsubstanz DNA zippen l?sst: F¨¹r den Transport in Zellen hinein wird sie verdichtet und innerhalb der Zellen zu voll funktionsf?higer genetischer Information zusammengebaut.

Eine solche L?sung k?nnte f¨¹r Biologinnen und Biologen, insbesondere in der Synthetischen Biologie oder der Biotechnologie, n¨¹tzlich werden. Denn sie stossen an Grenzen, wenn sie grosse Mengen von Informationen in Form von DNA in Zellen einschleusen wollen. Das Problem: Die Transportvehikel, die sie derzeit daf¨¹r einsetzen, lassen sich nur mit einer begrenzten Menge DNA beladen.

Wiederholungen aus DNA entfernen

Das Grundprinzip hinter der neuartigen DNA-Verdichtung entspricht dem beim Zippen einer digitalen Datei: ?Elemente, die in der DNA-Sequenz, die eingeschleust werden soll, mehrmals vorkommen, werden nur einmal ¨¹bertragen?, sagt Benenson.

Das betrifft beispielsweise Promotoren, also Abschnitte auf der DNA, die regulieren, ob und wie das zugeh?rige Gen abgelesen wird. Enth?lt nun die DNA, die in eine Zelle transportiert werden soll, vier verschiedene Gene, die alle den gleichen Promotor haben, wird dieser nur einmal mitgeliefert.

Knapp verpackt und am Ziel wieder montiert

Doch das Ausmerzen der Redundanzen ist noch nicht alles. Die ETH-Forschenden setzen die DNA f¨¹r den Transport in die Zelle auch nach speziellen Regeln zusammen. Benenson spricht von einer ?komprimierten Kodierung?.

Die vier Gene aus unserem Beispiel bekommen also vorneweg als Erstes einen gemeinsamen Promotor. Dahinter reihen die Forscher die vier kodierenden Gensequenzen kompakt auf dem DNA-Doppelstrang auf. Sie versehen das Ganze mit einzelnen Stopp-Sequenzen und ¨C ganz wichtig ¨C verschiedenen Bindungsstellen f¨¹r eine Rekombinase. Dieses Enzym kann DNA-Str?nge ?ffnen, drehen und neu zusammenf¨¹gen.

?Die Rekombinase ¨¹bernimmt die Rolle der Dekompressions-Software?, erkl?rt Benenson. Sie stellt sicher, dass die Bestandteile der komprimierten DNA in der Zelle voll funktionsf?hig zusammengesetzt werden. F¨¹r die vier Beispiel-Gene heisst das, dass jedes davon neu montiert wieder seinen eigenen Promotor erh?lt.

Genetische Programme erkennen Tumorzellen

Benenson und Lapique konnten zeigen, dass sich mit der neuen Methode in S?ugetierzellen tats?chlich grosse ?genetische Programme? einschleusen lassen. ?Diese sind menschgemacht und f¨¹hren in den Zellen bestimmte Aufgaben aus?, erkl?rt Benenson. Will heissen, sie umfassen ein ganzes Arsenal von biologischen Komponenten wie Proteinen und Ribonukleins?uren (RNA), die in der Zelle koordiniert auf ein gemeinsames, von den Wissenschaftlern definiertes Ziel hinarbeiten. In der Biotechnologie k?nnten auf diese Weise bestimmte komplex aufgebaute Substanzen, wie Wirkstoffe f¨¹r Medikamente, hergestellt werden.

Benensons Gruppe arbeitet allerdings an genetischen Programmen, die in Zukunft viel kompliziertere Aufgaben meistern sollen. Zum Beispiel sogenanntes ?cancer targeting?. Das bedeutet, dass das Programm in einer Zelle bestimmte Stoffe, sogenannte Marker, erkennen kann. Je nach deren Konzentration entscheidet es, ob die Zelle gesund ist oder ob es sich um eine Tumorzelle handelt ¨C welche das Programm selbst?ndig abt?ten kann. Eine Art All-in-one L?sung f¨¹r die Tumorbek?mpfung also, die von der Untersuchung ¨¹ber die Diagnose bis zur Therapie reicht. Die Forscher konnten zeigen, dass der Ansatz in Zellkulturen funktioniert, und sie m?chten nun auch in lebenden Organismen testen.

Genauere Diagnose dank neuer Methode

Mit den derzeitigen verf¨¹gbaren DNA-Transportvehikeln ist die Treffsicherheit bei der Entscheidung, ob es sich um eine gesunde oder eine Krebszelle handelt, noch nicht hoch genug. Der Grund daf¨¹r ist, dass bisher nicht gen¨¹gend verschiedene Marker auf einmal eingesetzt werden k?nnen, weil nur eine begrenzte DNA-Menge ¨¹bermittelt werden kann.

?Eine Kombination von vier bis sechs Markern w?re optimal?, erkl?rt Benenson. Doch um alle diese detektieren zu k?nnen, ist auch die entsprechende Anzahl Sensoren notwendig, welche die Marker erkennen. Mehr Sensoren ¨C es handelt sich um Proteine, RNA- und DNA-Komponenten ¨C heisst aber auch mehr DNA, die als deren Bauplan in die Zelle hinein muss.

Nun hoffen die Forschenden, das Programm mithilfe des neuen DNA-Komprimierungs und -Dekomprimierungsverfahrens um weitere Sensoren erweitern und so die Trefferquote erh?hen zu k?nnen.

Anleihen bei Informationstechnologie

Dass die genetischen Programme, die Benenson und Lapique entwickeln, logisch aufgebaut sind und ?hnlich funktionieren wie Computerprogramme, ist kein Zufall. ?Wir lassen uns oft von Computerwissenschaften und Informationstechnologie f¨¹r unsere Forschung inspirieren?, erkl?rt Benenson. Ihm macht es sichtlich Spass, ?outside the box? zu denken. Im Fall der neuen DNA-Transportmethode k?nnte man also sagen: Zum Gl¨¹ck gibt es Gr?ssenbeschr?nkungen bei E-Mail-Anh?ngen.