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2. Nur zwei Nanometer Durchmesser, aber zwei Meter lang
Jedes Chromosom besteht aus einem einzelnen, einige Zentimeter langen DNA-Faden und verschiedenen Proteinen (Histonen), um welche die DNA gewickelt ist. DNA ist das Material, die chemische Substanz, aus dem die Gene sind. DNA steht für “deoxyribonucleic acid” (Desoxyribonukleinsäure). Würde man alle 46 DNA-Fäden, welche in einem Zellkern auf die Chromosomen verteilt sind, aneinanderreihen, dann wäre dieser Faden zwei Meter lang, aber nur winzige zwei Nanometer (1 nm = 1 Tausendstel Mikrometer) im Durchmesser (siehe Video 1.2).
Bei genauer Betrachtung zeigt sich, dass der DNA-Faden eigentlich aus zwei parallel verlaufenden Strängen besteht, die sich umeinanderwinden wie bei einer in sich verdrehten Strickleiter; man spricht von einer Doppelhelix. Die Seile der Strickleiter werden durch eine Zucker-Phosphat-Kette gebildet: Ein Zucker (Desoxyribose) und eine Phosphatgruppe wechseln sich ab. Interessanter für die Biologen sind jedoch die Sprossen der Strickleiter: Sie bestehen aus den Basen Adenin, Cytosin, Thymin und Guanin, welche mit A, C, T und G abgekürzt werden. Pro Stufe paaren sich jeweils entweder ein A und ein T, oder ein C und ein G. Diese vier Bausteine A, C, T und G bilden das Alphabet der Gene. Das Gen-Alphabet ist vergleichbar mit unserem aus 26 Buchstaben bestehenden Alphabet, nur dass das Gen-Alphabet aus lediglich vier Buchstaben besteht.
Der DNA-Faden ist eine Aneinanderreihung der Bausteine A, C, T und G. Das Hämoglobin-Gen zum Beispiel beginnt mit: CCCTGTGGAGCCACACCCTAG… und ist insgesamt 43’000 Bausteine lang. Seit dem Jahr 2003 wissen die Forschenden, wie viele solcher Bausteine insgesamt auf dem zwei Meter langen DNA-Faden des Menschen Platz haben: 3,2 Milliarden Bausteine (siehe Video 1.3).
Unnütze DNA?
Lediglich ein kleiner Anteil der DNA enthält Informationen und kann in Proteine übersetzt werden. Über 98% der DNA enthält anscheinend keinerlei Information und wurde daher „Junk-DNA“, also Abfall-DNA genannt. In den letzten Jahren haben Forscher jedoch herausgefunden, dass viele Sequenzen der „unnützen DNA“ wichtige biologische Funktionen haben wie zum Beispiel der Hemmung von Genen in der embryonalen Entwicklung oder der Stimulierung eines beim Alzheimer wichtigen Proteins. So ist ein ganz neuer Forschungszweig entstanden, der immer mehr Beachtung findet und noch viele weitere spannende Entdeckungen hervorbringen wird.
Das Gen-Rennen
Wieviele Gene der Mensch besitzt, wissen wir aufgrund eines immensen Forschungsprojekts mit dem Namen “Human Genome Project” (HGP). Beim HGP haben während dreizehn Jahren anfangs einige wenige, gegen Ende 2’800 Forscherinnen und Forscher in weltweit 20 Forschungszentren daran gearbeitet, die mehr als drei Milliarden Bausteine des Menschen zu entziffern. Sie haben nicht nur die ungefähre Anzahl der Gene bestimmt, sondern auch, wo auf den Chromosomen sie liegen. Die Entzifferung des menschlichen Genoms war auch eines der spannendsten Rennen in der Wissenschaftsgeschichte, denn neben dem öffentlich finanzierten HGP versuchten Wissenschaftler des privaten Unternehmens Celera den Bauplan zu veröffentlichen. Das Rennen endete unentschieden: Gemeinsam haben die beiden Institutionen 2001 eine erste, jedoch noch unvollständige Genom-Version veröffentlicht. Zwei Jahre später folgte eine beinahe vollständige Version. Resultat des Human Genome Projektes war die Abfolge von 3,2 Milliarden Buchstaben. Die A, C, T und G’s würden etwa 1’000 Bücher im Umfang der Bibel füllen.
Die Technik, bei der Forschende die Abfolge der vier Bausteine auf dem DNA-Faden bestimmen, heisst Sequenzieren. Vor 20 Jahren bedeutete Sequenzieren noch viel Handarbeit. Heute kommen jedoch vollautomatisierte Sequenziermaschinen zum Einsatz, welche immer rascher und immer präziser die Abfolge der Basenpaare bestimmen. Sie sequenzieren das menschliche Genom innerhalb von wenigen Tagen für weniger als 1000 Franken.