Spektrum der Wissenschaft - 07.2019

Das sei wie bei Legosteinen, bei denen

Löcher und Noppen genau passen

müssen, erklärt Benner.

Durch den Umbau molekularer

Noppen und Löcher hatten die Wis-

senschaftler bereits 2015 mehrere

neue DNA-Basen erzeugt – darunter

korrespondierende Paare namens S

und B sowie P und Z (siehe Grafik

oben). Jetzt probierten sie, wie diese

synthetischen Basen mit den natürli-

chen Varianten kombiniert werden

können. Dabei entstand eine moleku-

lare Kunstsprache, welche die For-

scher nach den japanischen Bezeich-

nungen für »acht« und »Buchstabe«

auf den Namen Hachimoji tauften. Die

zusätzlichen Bausteine ähneln struktu-

rell jeweils einer natürlichen DNA-Base

mit leichten Abweichungen bei der

Wasserstoffbrückenbindung.

Um ihre Fähigkeit als Lebensmole-

kül zu beweisen, musste die künstliche

DNA einige Tests bestehen: Tatsäch-

lich paarten sich bei hunderten synthe-

tischen DNA-Molekülen die künstli-

chen Basen mit ihrem jeweiligen

Partner ähnlich zuverlässig wie die

natürlichen – die synthetischen Mole-

küle eignen sich also als Informations-

speicher.

Im nächsten Schritt zeigten die

Forscher, dass die Struktur dieser

Doppelhelices stabil bleibt – und zwar

unabhängig von der Reihenfolge der

synthetischen Basen. Das ist wichtig,

da nur hochvariable Basensequen-

zen, die nicht das gesamte DNA-Kons-

trukt auseinanderfallen lassen, eine

Evolu tion erlauben. Mit Hilfe von

Röntgenbeugung an Molekülkristallen

bestätigte das Team, dass syntheti-

sche DNA-Stränge mit drei verschie-

denen Sequenzen ihre Struktur beibe-

halten.

Gelungene Übersetzung in RNA

Andere Methoden zur Erweiterung des

genetischen Alphabets hatten hier

nach Angaben des nicht an Benners

Arbeit beteiligten englischen Moleku-

larbiologen Philipp Holliger versagt:

Hierbei waren lipophile, also nicht

wasserlösliche Moleküle eingesetzt

worden, die sich nicht per Wasser-

stoffbrücken verpaarten. Man konnte

sie zwar in gewissen Abständen zu-

einander zwischen natürlichen Basen

in die DNA-Kette platzieren – nicht

aber direkt nebeneinander, weil dies

die Helixstruktur zerstörte.

Schließlich demonstrierten die

Forscher, dass sich die synthetische

DNA buchstabengetreu in RNA um-

schreiben lässt. Das ist die Voraus-

setzung dafür, um Proteine zu erzeu-

gen, die Arbeitspferde des Lebens. Um

jenen Schritt sichtbar zu machen,

schuf Benners Team synthetische

DNA-Abschnitte, die für ein so genann-

tes Aptamer codieren – eine RNA-Se-

quenz, die sich an bestimmte Moleküle

bindet und eine Fluoreszenz auslöst.

Hierbei bestätigte sich, dass das Um-

schreiben (die so genannte Transkrip-

tion) funktioniert.

Philipp Holliger sieht in der Arbeit

zwar einen viel versprechenden Aus-

gangspunkt, es bleibe jedoch noch ein

weiter Weg bis zu einem echten syn-

thetischen Gencode mit acht Buchsta-

ben. So sei noch unklar, ob Polymera-

sen, also DNA synthetisierende Enzy-

me, die künstliche DNA replizieren

können. Benner betont, sein Team habe

immerhin gezeigt, dass Leben auch mit

anders gestalteten DNA-Basen möglich

ist. Und das könne bei der Suche nach

biologischen Signaturen im Universum

eine Rolle spielen.

Eine eher bodenständige Vision für

die neu hinzugefügten DNA-Buchsta-

ben wäre, die vielfältigeren DNA- oder

RNA-Sequenzen andere Funktionen als

das Datenspeichern erledigen zu las-

sen. Beispiele hierfür hat Benners

Gruppe schon geliefert: DNA-Stränge

mit Z und P binden sich besser an

manche Krebszellen als Sequenzen mit

den vier Standardbasen. Das Forscher-

team hat zudem weitere Paare syntheti-

scher Basen entwickelt. Sie eröffnen

die Möglichkeit, DNA-Strukturen mit

zehn oder sogar zwölf Buchstaben zu

konstruieren.

Matthew Warren ist promovierter

Neurowissenschaftler und Wissen-

schaftsjournalist.

QUELLEN

Georgiadis, M. M. et al.: Structural

basis for a six nucleotide genetic alpha-

bet. Journal of the American Chemical

Society 137, 2015

Hoshika, S. et al.: Hachimoji DNA and

RNA: A genetic system with eight

building blocks. Science 363, 2019

Zhang, L. et al.: Evolution of functional

six-nucleotide DNA. Journal of the

American Chemical Society 137, 2015

In natürlicher DNA ist die Information in der Abfolge der Basen Cytosin (C),

Guanin (G), Thymin (T) und Adenin (A) verschlüsselt, wobei sich C mit

G sowie T mit A über Wasserstoffbrücken paart (links). Forscher fügten

diesem Vierercode strukturell ähnlich gebaute Basen hinzu. Hierbei koppelt

Z an P und S an B (rechts). R steht für den Zucker- (Desoxyribose-)

und den Phosphatanteil des jeweiligen Nukleotids.

© Springer Nature Limited

http://www.nature.com

Nature 566, S. 436, 2019

HOSHIKA, S. ET AL.: HACHIMOJI DNA AND RNA: A GENETIC SYSTEM WITH EIGHT BUILDING BLOCKS. SCIENCE 363, 10.1126/SCIENCE.AAT0971, 2019, FIG. 1; ABDRUCK GENEHMIGT VON AAAS / CCC; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

C Z

G P

T

A

S

B