Wir basteln mit DNA

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aus: Andersen et al., Nature 2009

Wer jetzt an Genmanipulation denkt, liegt ausnahmsweise falsch. Heute geht es buchstäblich ums Basteln – DNA Origami. Das gibt es wirklich und man kann unglaubliche Dinge damit anstellen.

Alles begann 2006, als der Computerwissenschaftler Paul W. K. Rothemund einen Artikel in der Zeitschrift Nature veröffentlichte, in dem er beschrieb, wie man aus DNA zwei- und dreidimensionale Objekte formen kann. Oder eher, wie man die DNA designen muss, damit sie sich selbstständig zu Objekten formt.

Die Grundlage für dieses Phänomen ist die Bindung zwischen den sogenannten DNA-Basenpaaren. Es gibt vier Basen, Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Kurz werden sie einfach mit den Buchstaben A, T, G und C abgekürzt. Sie sind die Zeichen des genetischen Codes. Der genetische Code speichert die Information darüber, wie ein bestimmter Organismus aufgebaut ist, zum Beispiel eine Rose, ein Hund oder ein Mensch. Die DNA ist also der Bauplan für ein Lebewesen. Der Bauplan fürs Billy-Regal bei Ikea ist in Form von Bildern codiert, aus denen man ablesen kann, wie man Billys Teile zusammensetzen muss. In der DNA ist die Information eben auf chemische Weise codiert, in Form der vier Basen. Diese können in beliebiger Kombination tausend- und millionenfach hintereinander vorkommen, das nennet man eine Basensequenz. Nun ist DNA aber nicht ein einzelner Strang aus Basen sondern ein Doppelstrang. Zwei Basenstränge „kleben“ sozusagen aneinander. Dabei steht einem A immer ein T und einem G immer ein C gegenüber, so wie hier:

DNAseq

Das nennt man Basenpaarung, und das macht DNA sehr gerne. Wenn man die beiden hier abgebildeten DNA-Stränge trennen (zum Beispiel durch Erhitzen) und gemeinsam in eine wässrige Lösung geben würde, fänden sie von selbst schnell wieder zusammen, wenn die Lösung abkühlt. DNA ist lieber doppel- als einzelsträngig, wenn der passende „spiegelbildliche“ Strang vorhanden ist. Und diese Vorliebe der DNA macht man sich beim DNA-Origami zu Nutze. Mithilfe von leistungsfähigen Computerprogrammen kann man DNA-Stränge entwerfen, die sich auf bestimmte Weise miteinander verbinden. Das funktioniert so:

Es gibt einen langen Einzelstrang, den Gerüststrang. Zusätzlich gibt es viele kurze Verbindungsstränge, die mit einer Hälfte einen Teil des Gerüststrangs binden und mit ihrer anderen Hälfte einen anderen Teil – so zwingen die Verbindungsstränge den Gerüststrang in eine bestimmte Form. Ungefähr so:

origami

Das lange Stück DNA oben ist der Gerüststrang, die zwei kurzen, farblich markierten darunter stellen die Verbindungsstränge dar. Die Basen, mit denen die Verbindungsstränge eine Basenpaarung eingehen, sind im Gerüststrang ebenfalls farblich markiert. Wenn man diesen Gerüststrang mit diesen beiden Verbindungssträngen vermischt, kommt danach so etwas heraus wie im unteren Teil des Bildes.

Das ist natürlich nur ein Beispiel, sogar ein ziemlich primitives. Wenn man sich nämlich geschickt anstellt, kann man aus DNA solche Formen basteln:

DNAorigami

Paul W. K. Rothemund, Nature 2006

Das ist schon ziemlich cool, aber der wahre Nutzen liegt in der Erschaffung dreidimensionaler Strukturen. Wissenschaftler vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering (“Institut für biologisch inspirierte Werkstoffe”) an der Uni Harvard haben eine Art Tonne aus DNA erschaffen, die an einer Seite ein Scharnier hat. Diese Struktur arbeitet als biologischer Nanoroboter: Man kann die „Tonne“ mit verschiedenen Dingen füllen, wie zum Beispiel einem Medikament gegen Krebs. Im normalen Zustand ist die Tonne geschlossen. Eine Dosis dieser Medikamenten-gefüllten Nanoroboter kann einem Krebspatienten verabreicht werden. Die Nanoroboter gelangen mit dem Blutstrom zu allen Körperzellen – doch nur, wenn sie mit einer Krebszelle in Kontakt kommen, öffnen sie sich und geben die Medikamente frei. So werden gesunde Zellen nicht angegriffen und Krankheiten können sehr effizient und mit wenig Nebenwirkungen behandelt werden.

Oben: Querschnitt durch die Tonnenform des DNA-Nanoroboters. Unten: Der Nanoroboter im geöffneten Zustand. (aus: Shawn M. Douglas et al., Science 2012)

Oben: Querschnitt durch die Tonnenform des DNA-Nanoroboters. Unten: Der Nanoroboter im geöffneten Zustand. (aus: Shawn M. Douglas et al., Science 2012)

Wir verstehen immer besser, wie DNA funktioniert und finden immer mehr kreative Anwendungen für dieses vielseitige Molekül. Durch ihre Codierungsfunktion kann DNA auf bestimmte Funktionen programmiert werden. Ein winziger Roboter, der sich selbst zusammenbaut und ohne jegliches Metall auskommt. Wahnsinn! Ich bin sehr gespannt, wann wir die ersten DNA-Nanoroboter in der Anwendung sehen. Bis jetzt ist das alles noch im Test, aber es sieht sehr gut aus für die klinische Anwendbarkeit dieser Technik. Und keine Angst, fremde DNA wird nicht ins menschliche Genom eingebaut – schließlich essen wir täglich Unmengen DNA und verwandeln und trotzdem nicht langsam in eine Banane oder ein Hühnchen.

Der Wald muss BRENNEN!

Foto: greenplanetethics.com

Der Sommer kommt und mit ihm Waldbrände und Buschfeuer auf der ganzen Welt. In den Medien werden diese Ereignisse als Katastrophen dargestellt. Doch eigentlich sind sie nur für den Menschen katastrophal und das auch erst, seitdem wir sesshaft geworden sind. Man will eben einen schöne Aussicht genießen, nicht wahr, da baut man sein Haus eben ganz nah an die Natur ran. Oder man muss die Natur in unmittelbarer Nähe einer größeren Stadt erhalten, weil sonst gar keine mehr da wäre. Und wenn es in so einem Wald nahe an besiedeltem Gebiet mal brennt, rückt sofort die Feuerwehr an und es wird gelöscht.

Das ist unnatürlich und schafft Probleme.

Denken wir uns mal zurück in eine Zeit vor der flächendeckenden Besiedlung durch den Menschen. Im trockenen Hochsommer entzündet sich irgendwo in einem Wald ein Haufen trockener Kiefernnadeln. Das Feuer verbreitet sich schnell im Unterholz und zerstört totes Material, das im letzten Herbst angefallen ist. Das geht ziemlich schnell, denn dieses Material ist knochentrocken. Das kennt man vielleicht vom Lagerfeuer – man schmeißt einen uralten, trockenen Ast rein und freut sich, wie schnell er Feuer fängt – und ist dann enttäuscht, dass keiner der dickeren, frischeren Scheite anbrennt. Das Feuer ging einfach zu schnell wieder aus. Und dasselbe passiert in einem naturbelassenen Wald: Altes, Totes verbrennt so schnell, dass frische grüne Pflanzen gar nicht erst Feuer fangen. Neue Pflanzen, die gerade aus dem Boden kommen, kriegen Licht und Luft und fruchtbaren Nährboden. Alles wunderbar. Es sei denn, man löscht alles sofort. Dann kann totes Material sich über Jahrzehnte ansammeln und Pflanzen im Unterholz wachsen immer dichter. Wenn es dann brennt, hat man so viel totes Zeug, dass es eine Weile brennt. Dann hat das Feuer Zeit, auf die dichtgewachsenen Pflanzen im Unterholz überzugreifen, die dann auch so lange brennen, bis das Feuer die großen, älteren Bäume angreifen kann. Und dann haben wir die Katastrophe: Einen gewaltigen, unkontrollierbaren, hausgemachten Waldbrand. Die Brände können extreme Hitze im Boden verursachen, sodass auch in der Erde gelagerte Samen zerstört werden, die einen kurzen Brand überleben würden. So kann sich der Wald nach einem Brand auch nicht mehr von selbst erholen.

Viele Bäume können durch eine dicke Rinde Feuern standhalten. Ein Beispiel ist die nordamerikanische Gelbkiefer, deren Rinde bis zu 5 cm dick ist. Außerdem stehen diese Bäume unter natürlichen Bedingungen weit auseinander, sodass ein Feuer nicht vom Baum zu Baum übergreifen kann. Wer sich heimische Kiefern schon einmal genauer angeschaut hat, dem sind vielleicht die sehr hohen Kronen aufgefallen. Kiefern haben keine Äste am Stamm, wie andere Nadelbäume. Ein durch das Unterholz fegende Feuer kann so einer Kiefernkrone also nichts anhaben. In bewirtschafteten Wäldern werden Bäume so dicht wie möglich nebeneinander gepflanzt, um die Holzerträge zu erhöhen. Hier hat ein Feuer leichtes Spiel, da es von Baumkrone zu Baumkrone springen kann. In Nordamerika bemüht man sich jetzt, auch Wirtschaftswälder wieder weniger dicht zu pflanzen, um die Feuergefahr zu verringern.

Ein Feuer überstehen ist ja ganz nett. Viel interessanter finde ich ja die Pflanzen, die Feuer brauchen, um sich z.B. fortpflanzen zu können. Und dann sind da noch die Pflanzen, die Feuer verursachen. Absichtlich.
In der ersten Gruppe, den sogenannten Pyrophyten (zu dt. etwa „Feuerpflanzen“) finden wir zum Beispiel die immergrünen Banksien in Australien. Sie haben sehr harte hölzerne Fruchtstände, die von Harz verschlossen sind. Dieses Harz braucht die Hitze eines Feuers, um zu schmelzen und die Samen freizugeben. Damit sie jedoch nicht sofort herausfallen und verbrennen, ist der Samen zusätzlich von einer Hülle umgeben, die den Samen im geöffneten Fruchtstand festhält. Wenn das Feuer vorüber ist, lässt Feuchtigkeit (z.B. Tau oder Regen) die Hülle anschwellen, wodurch sie sich öffnet und der Samen herausfällt. Da das Feuer die Unterholz-Vegetation zerstört hat, fällt der Samen auf fruchtbaren Boden und hat genug Licht. Ein Meisterstück der Evolution!
Auch die insektenfressende Venusfliegenfalle benötigt regelmäßige Brände, und zwar für ihr nacktes Überleben. Sie ist recht klein und wächst dicht am Boden. Außerdem besitzt sie unterirdische Rhizome, das sind so eine Art unterirdische Triebe, aus denen Blätter und ganze Pflanzen wachsen können. Im Garten hat man das Vielleicht bei Maiglöckchen oder Schwertlilien schon mal gesehen. Ingwer ist auch ein Rhizom (also der Teil, den man essen kann). Nach einem Feuer kann die Venusfliegenfalle aus ihren Rhizomen wieder austreiben und hat reichlich Licht, da alle anderen Pflanzen ja verbrannt sind. Passiert das nicht regelmäßig, wird die Venusfliegenfalle überwuchert und stirbt.
Die Samen vieler Pflanzen in Ökosystem, wo es hin und wieder brennt, warten im Boden auf ein Feuer, bevor sie auskeimen. Die Hitze verursacht ein chemisches Signal im Samen, das den Keimvorgang startet.
Und jetzt die ganz schlimmen – die Zündelfritzen unter den Pflanzen. Da wäre die aus Kalifornien stammende Strauchige Scheinheide (Adenostoma fasciculatum), deren Blätter mit brennbarem Öl überzogen sind. Wenn es da anfängt zu brennen, sorgt die Scheinheide dafür, dass das Feuerchen auch ja nicht wieder ausgeht und ordentlich an Größe gewinnt. Die Pflanze selbst verbrennt zwar, treibt aber aus unterirdischen oder nahe am Boden gelegenen überlebenden Trieben schnell wieder aus – und hat die Konkurrenz mal eben vernichtet. Dictamnus Albus, der Aschwurz, ist eine Blütenpflanze, die etwa 120 cm hoch werden kann und wegen ihrer schönen Blüten und ihrem angenehmen zitronig-vanilligem Geruch gerne in Gärten kultiviert wird. Der Wohlgeruch stammt allerdings von ätherischen Ölen, die die Pflanze im Sommer in derartigen Mengen produziert, dass sie regelrecht von den Blättern tropfen. Solche Öle sind dummerweise leicht entzündlich. Wenn so ein Öltropfen an einem heißen Tag das Sonnenlicht fokussiert wie eine Lupe, kann die Pflanze schon mal kurz in Flammen aufgehen. Das Öl verbrennt jedoch so schnell, dass die Pflanze keinen Schaden nimmt. Ob diese spontane Selbstentzündung Absicht ist oder ein Nebeneffekt der Duftproduktion, ist nicht geklärt. Wer mal im Mittelmeerraum unterwegs ist und eine Aschwurz entdeckt, kann mal eben ein Streichholz unter die Blüte halten – und dann nichts wie weg!

Fazit: Waldbrände sind, im Abstand von 10 bis 30 Jahren, normal und sogar nützlich. Pflanzenbestände und die Tiere, die von ihnen leben, brauchen sie. Doch leider ist es aufgrund des dichten Nebeneinanders von Menschen und Wald selten möglich, der Natur ihren Lauf zu lassen. Die Bilder von gigantischen Flammen, die hundert Meter in den Himmel schlagen werden also so bald nicht aus den Medien verschwinden.