Entschlüsselung der DNA
Die Buchstaben des Lebens
Wie die meisten Geschwister haben die 12-jährige Onna Okeke und ihr 11-jähriger Bruder Toby eine Menge gemeinsam. Zunächst einmal sehen sie sich sehr ähnlich und teilen viele gleiche Gesichtszüge. Sie lieben beide die kalten, schneereichen Winter in Kanada, wo sie leben. Außerdem treiben beide gerne Sport.
Aber Onna und Toby sind auch sehr unterschiedlich. Die Leute sagen, dass Onna mehr wie ihr Vater aussieht, während Toby stärker seiner Mutter ähnelt. Onna ist Leistungsschwimmerin, Toby hingegen spielt intensiv Eishockey. Woher kommen also die Gemeinsamkeiten und Unterschiede? Was macht jeden Menschen so einzigartig - auch wenn es sich um Geschwister handelt? Dem wollen wir gemeinsam auf den Grund gehen.
Was macht uns zu dem, was wir sind?
Onna und Toby teilen auch ihre Begeisterung für Wissenschaft. Außerdem beschäftigen sie sich gern mit Computersprachen, allerdings aus unterschiedlichen Gründen. Toby spielt gerne Videospiele und lernt Programmieren, damit er eines Tages sein eigenes Spiel entwickeln kann. Onna ist nicht wirklich an Videospielen interessiert, lernt aber eine Programmiersprache, weil sie gerne einen Roboter bauen würde!
Als die Geschwister ihren Eltern eines Abends beim Essen von ihren unterschiedlichen Programmierinteressen erzählten, kam Onna die Frage: „Wie können Geschwister, die die gleichen Eltern haben, so unterschiedlich sein? Warum sehen sich manche Geschwister so ähnlich und andere wiederum haben kaum Ähnlichkeit?“ fragt sie ihre Eltern. „Und warum haben Toby und ich nicht genau die gleichen Fähigkeiten und Interessen?“
Haben sich andere Geschwister das auch schon gefragt? Lasst es uns herausfinden.
Die DNA und der genetische Code
„Die Menschen fragen sich schon seit Jahrtausenden: Was macht uns zu dem, was wir sind?“, erklärt der Vater von Onna und Toby. „Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben allerdings erst vor etwa 160 Jahren eine Vermutung dafür formuliert. Glücklicherweise hat die Forschung der letzten 20 Jahre endlich eine wirkliche Erklärung gefunden.“
„Ach ... und wie lautet die Antwort?“, fragt Toby. „Die kurze Antwort sind nur drei kleine Buchstaben: D-N-A“, sagt seine Mutter. „So wie der Code eines Computerprogrammes dem Computer Anweisungen gibt, was er zu tun hat. Genauso ist die DNA Teil eines speziellen Befehlscodes, der den Zellen unseres Körpers sagt, was sie zu tun haben.“
Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass die DNA existiert und dass sie ein Code ist, aber sie hatten keine Ahnung, was der Code bedeutet. Erst vor etwa 20 Jahren gelang es Wissenschaftlern aus aller Welt im Rahmen des Humangenomprojekts, einem internationalen Forschungsprojekt, das Genom des Menschen durch Sequenzierung vollständig zu entschlüsseln.
„Guter Vergleich!“, sagt Onna´s und Toby´s Vater. „Wisst ihr, dass der sogenannte Binärcode aus nur zwei Ziffern besteht, 0 und 1, die sich immer wiederholen und nur die Reihenfolge, in der sie geschrieben werden, sagt dem Computer was er tun soll?“ Der genetische Code unseres Körpers wird aus vier verschiedenen DNA-Basen geschrieben, die mit den Buchstaben A, T, G und C bezeichnet werden und sich immer wiederholen. Einzelne Abschnitte der DNA-Basen werden Gene genannt und sie enthalten die Informationen, die unsere Zellen benötigen, um verschiedene Proteine herzustellen. Die Proteine sind die Bausteine für alles in unserem Körper. Aber auch hier sind es die Reihenfolge und die Wiederholung der DNA-Basen-Buchstaben, die bestimmen, wie diese Proteine gebaut werden und die weitgehend dafür verantwortlich sind, wer wir sind – also wie wir äußerlich aussehen und im Inneren denken und funktionieren. Und genau wie bei Videospielen oder Robotern führen Variationen im Code zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen.
Woher bekommen wir unsere Gene?
„Wow!“, sagt Onna. „Ich habe schon mal von DNA und Genen gehört, aber nie wirklich verstanden, was genetischer Code bedeutet. Ich glaube, jetzt habe ich es verstanden!"
„Ich auch!“, lächelt Toby. „Unser genetischer Code ist der Satz von Anweisungen, der uns zu dem macht, was wir sind.“
„Du hast es wirklich verstanden“, strahlt ihre Mutter. „Unsere Umwelt spielt auch eine Rolle bei der Gestaltung dessen, was wir sind, aber viele unserer Eigenschaften oder Merkmale werden von unseren Genen bestimmt. Die körperliche Ausprägung eines genetischen Merkmals wird als Phänotyp bezeichnet. Ich habe zum Beispiel eine braune Augenfarbe als Phänotyp und ihr auch. Und die Untersuchung, wie verschiedene Merkmale, wie braune Augen, von den Eltern an die Kinder weitergegeben werden, nennt man Genetik.“
„Moment - also haben Onna und ich unsere Eigenschaften von euch?“, fragt Toby.
Wenn wir das Aussehen eines Lebewesens beschreiben, beschreiben wir seinen Phänotyp. Ein Phänotyp ist die Gesamtheit der beobachtbaren Merkmale eines Organismus - alle physischen Eigenschaften, die man sehen oder in einem Labor messen kann (z. B. die Blutgruppe). Aber was bestimmt den Phänotyp eines Organismus? Es sind hauptsächlich unsere Gene - die winzigen Abschnitte der DNA, die sich in den Zellen unseres Körpers befinden. Probiert unsere lustige Genetik-Challenge, um mehr darüber zu erfahren!
„Du bist ein ziemlich schlaues Kind. Diese Eigenschaft hast du wohl von deiner Mutter geerbt“, sagt sein Vater mit einem Zwinkern und einem Lächeln. Dann fährt er fort: „Unsere Gene sind in separaten Paketen gruppiert, die Chromosomen genannt werden. Der Mensch hat 23 passende Chromosomenpaare, also insgesamt 46. Ein Kind erbt jeweils ein Chromosom von jedem Chromosomenpaar seiner leiblichen Eltern. Also Toby, du könntest ein Chromosom in einem Paar von mir bekommen haben, und Onna könnte das andere Chromosom von diesem Paar bekommen haben. Oder ihr könntet beide das gleiche Chromosom von mir geerbt haben, aber unterschiedliche in dem Paar von Mama. Es gibt viele, viele mögliche Kombinationen - was erklärt, warum Geschwister sich manchmal ähnlich und manchmal sehr unterschiedlich sind. Es erklärt auch, warum Kinder ganz anders aussehen können als ihre Eltern.“
„Aber was bestimmt, welche Chromosomen jedes Kind erbt?“, fragt Onna.
„Das ist ziemlich zufällig - fast so, als ob die Natur eine Münze wirft“, erklärt ihr ihre Mutter. „Während wir uns unterhalten haben, habe ich ein bisschen auf meinem Handy recherchiert und ein lustiges Spiel gefunden, das euch helfen kann, besser zu verstehen, wie die Genetik funktioniert. Wollt ihr es ausprobieren?“ „Klar!“, rufen die stets neugierigen Geschwister.
Und warum solltet ihr euch diesen Spaß entgehen lassen? Ihr könnt es auch ausprobieren!
Wie sieht DNA aus?
„Das hat wirklich Spaß gemacht. Ich mag unsere kleinen Mixie-Kreationen“, lächelt Onna, die es liebt, Dinge zu erschaffen.
„Ja ... und es war super interessant zu lernen, wie Kinder körperliche Merkmale erben können, die in beiden Elternteilen verborgen sind!“ fügt Toby hinzu. „Ich mag Dinge, die geheimnisvoll sind, aber auch durch die Wissenschaft erklärt werden können!“
„Apropos versteckt, woher wissen Wissenschaftler überhaupt, wie die DNA aussieht?“, fragt Onna. „Ich habe meine DNA jedenfalls noch nie gesehen.“
„Nein, natürlich nicht“, sagt ihr Vater. „Die DNA ist viel zu klein, um sie mit bloßem Auge zu sehen. Dazu braucht man ein Mikroskop. Aber dank der Arbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wissen wir, dass ein DNA-Molekül wie eine spiralförmig gedrehte Leiter aussieht. Jede Sprosse der Leiter besteht aus zwei Basen, die in der Mitte miteinander verbunden sind - A, T, G, und C, erinnert ihr euch? Die Länge eines DNA-Moleküls wird oft daran gemessen, wie viele Sprossen, oder Basenpaare, die Leiter hat.“
„Hat alles, was lebt, eine DNA - und wenn ja, sieht sie genauso aus wie die menschliche DNA?“, fragt Toby.
Wir Menschen haben 23 Chromosomenpaare… Fast so viel wie eine Ananas, die haben 25, aber viel weniger als Hunde, die 39 Chromosomenpaare haben!
„Zwei Fragen bringen dir zwei Löffel Schlagsahne ein“, scherzt Onna´s und Toby´s Mutter, die gerade einen leckeren Erdbeerkuchen zum Nachtisch zubereitet. „Erstens, ja - jeder lebende Organismus hat DNA: Tiere, Pflanzen, Bakterien. Einige Viren haben sogar DNA, obwohl sie technisch gesehen gar nicht lebendig sind. Und zweitens, ja, irgendwie schon - die Zellen aller Tiere und Pflanzen enthalten DNA in der gleichen Form - die berühmte 'Doppelhelix', die wie eine verdrehte Leiter aussieht. Aber jede Spezies hat eine bestimmte Anzahl von Chromosomen, also haben nicht alle 23 Paare wie wir Menschen.“
Ihr Papa nahm eine große, saftige Erdbeere in die Hand - aber anstatt einen Bissen zu nehmen, hält er sie in die Luft. „Erdbeeren haben zum Beispiel sieben Chromosomensätze und acht Chromosomen in jedem Satz anstelle von Paaren. Wisst ihr, was das bedeutet?“
Toby und Onna schauten sich nach Hinweisen um, dann schüttelten sie den Kopf: „Nein.“
„Da sie acht Kopien der DNA haben, ist es einfacher, die großen Gruppen von Erdbeer-DNA-Strängen mit dem bloßen Auge zu sehen. Hat jemand Lust auf ein kleines Erdbeer-DNA-Experiment?“
„Auf geht's!“, ruft Toby. Dann fügt er grinsend hinzu: „Gleich nach dem Nachtisch.“
Wie kann die DNA-Forschung dabei helfen, Gesundheitsprobleme zu lösen?
Am nächsten Tag, nach der Schule und dem Schwimmtraining, hat Onna immer noch das Thema DNA im Kopf. Da sie gerne kocht, meldet sie sich freiwillig, um bei der Zubereitung des Abendessens zu helfen, um mit ihrer Mama noch ein wenig darüber reden zu können. Auf dem Speiseplan standen heute Abend herzhafte Fleischpasteten, ein Familienrezept, das ihre Mutter aus ihrer Heimat mitgebracht hatte, als sie vor vielen Jahren von Nigeria nach Kanada zog.
„Mama, warum denkst du, dass es für Wissenschaftler wichtig ist, die DNA zu untersuchen?“ fragt Onna, während sie den Blätterteig ausrollt. „All das, das wir gestern über den genetischen Code, Chromosomen und dominante oder rezessive Merkmale gelernt haben ... das ist wirklich faszinierend. Aber was machen Wissenschaftler mit diesen Informationen?“
„Ausgezeichnete Frage“, sagt ihre Mutter, während sie das aromatisch brutzelnde Rindfleisch und das gehackte Gemüse umrührt. „Aber zuerst möchte ich dir eine Frage stellen. Wir haben dieses köstliche Rezept für Fleischpasteten, mit einer speziellen Kombination von Zutaten und Gewürzen, von denen wir glauben, dass sie perfekt schmecken, so wie sie seit Generationen zubereitet werden. Was wäre, wenn ich dieses Rezept auf ein neues Blatt Papier geschrieben hätte, um es an euch weiterzugeben, aber als ich es schrieb, habe ich versehentlich eine Zutat weggelassen? Oder eine Mengenangabe falsch aufgeschrieben?“
„Wenn ich das Rezept befolgen würde, würden die Pasteten nicht so lecker schmecken“, antwortet Onna.
„Genau“, sagt ihre Mutter. „Und ich müsste mir das Rezept ansehen, den Fehler erkennen und ihn dann beheben. Nun, einige genetische Krankheiten werden durch einen einfachen Fehler im Rezept beziehungsweise eine Störung im genetischen Code verursacht. Jetzt sind Wissenschaftler in der Lage, auf bestimmte Stellen im Genom zu zeigen und zu sagen: Dort liegt der Fehler. Und noch besser - anstatt nur die Symptome von Krankheiten zu behandeln, die früher unmöglich zu beheben waren, sind sie in der Lage, einige Krankheiten zu heilen, indem sie das defekte Gen entweder reparieren oder durch eine gesunde Kopie ersetzen. Das nennt man Gentherapie.“
„Wow!“, ruft Onna aus. „Das ist erstaunlich!“
„Das ist es wirklich!“, stimmt Onna´s Mutter ihr zu. „Und es ist so spannend, über weitere Möglichkeiten zu lesen: Das Wissen über den genetischen Code und dessen Anwendung kann medizinische Behandlungen und Impfstoffe verbessern oder sogar personalisierte Medizin ermöglichen. Aber das ist noch nicht alles! In den letzten 20 Jahren haben Wissenschaftler auch die Genome vieler Pflanzen sequenziert, einschließlich der Nutzpflanzen, die wir essen - wie diese Kartoffeln und Karotten“, erklärt sie, während sie die Füllung für die Pasteten auf den Teig legt. „Und das ermöglicht es ihnen, Lösungen für Probleme bei der Nahrungsmittelproduktion auf der ganzen Welt zu finden.“
„Kannst du uns mehr darüber erzählen?“, fragt Toby, der dem guten Geruch in die Küche gefolgt war.
„Eigentlich habt ihr beiden so gute Fragen, dass ich es noch besser finde, euch mit einem echten DNA-Experten sprechen zu lassen“, meint ihre Mutter. „Ich werde ein Gespräch mit einer Wissenschaftlerin aus meiner Firma arrangieren.“
Am nächsten Tag sind Onna und Toby in einem Videochat mit Dr. Monika Lessl, die bei Bayer die Abteilung Forschung & Entwicklung und soziale Innovation leitet. Schaut euch das Video an, um zu hören, was sie zu dem Thema zu sagen hat!
Wie kann die DNA-Forschung die Nahrungsmittelproduktion verbessern?
„Das war verrückt. So habe ich noch nie über Pflanzensamen nachgedacht!“ ruft Onna nach ihrem Gespräch mit Monika. „Ich auch nicht!“, sagt Toby, während er überrascht den Kopf schüttelt. „Als wären sie genetische Rezepte, die immer weiter optimiert werden. Wusstest du das, Dad?“, fragt Toby seinen Vater, der gerade den Raum betreten hatte. „Ich habe immer gedacht, dass Obst und Gemüse seit ... na ja, seit Ewigkeiten immer gleich sind.“
„Weißt du, das habe ich früher auch gedacht“, gibt ihr Vater zu. „Erst vor kurzem habe ich erfahren, dass Menschen seit mehr als 10.000 Jahren Pflanzen selektiv züchten, sodass fast keine der Früchte und kein Gemüse, die wir heute für "natürlich" halten, tatsächlich so entstanden sind. Schaut euch mal ein Video dazu an, das zeigt, wie stark sich einige unserer liebsten Obst- und Gemüsesorten im Laufe der Zeit verändert haben.“
„Und wie genau funktioniert die Züchtung von Pflanzen?“, fragt Onna.
„Nun, das grundlegende genetische Prinzip funktioniert genauso wie bei Menschen“, erklärt ihr Vater. „Zwei Elternteile produzieren Nachkommen, die Eigenschaften von jedem Elternteil erben. In der traditionellen Pflanzenzüchtung wählten die Menschen Elternpflanzen mit bestimmten Eigenschaften aus, die sie an ihre Nachkommen übertragen sollten, aber genau wie beim Münzwurf in unserer Genetik-Challenge konnten sie nicht kontrollieren, welche Gene tatsächlich weitergegeben wurden. Heutzutage sind neuere Methoden der Pflanzenzüchtung viel genauer und ermöglichen es den Wissenschaftlern, einfach ein bestimmtes vorteilhaftes Merkmal hinzuzufügen oder ein problematisches Merkmal auszuschalten, ohne den Rest des Genoms der Pflanze zu verändern.“
„Ihr habt doch in euren Geschichtsbüchern über die irische Hungersnot um 1800 gelesen“, fügt ihre Mutter hinzu. „Eine Million Menschen starben, als eine Krankheit die Kartoffelernte - ihre wichtigste Nahrungsquelle - mehrere Jahre hintereinander vernichtete. Stellt euch mal vor, man hätte ein Gen in die Ernte gezüchtet, dass diese Krankheit hätte abwehren können. In der Zukunft können Hungersnöte, die durch Pflanzenkrankheiten, Schädlinge oder Wassermangel verursacht worden wären, abgewendet werden, weil die Wissenschaftler wissen, wie sie Pflanzen züchten können, die diesen Herausforderungen standhalten.“
„Das ist eine ziemlich geniale Art, um Wissenschaft dafür zu nutzen, Menschen zu helfen“, antwortet Onna mit einem Lächeln.
„Es ist wirklich cool, so viel über DNA zu lernen“, sagt Toby. „Jetzt weiß ich, dass es wahrscheinlich nicht deine Schuld ist, dass du keine Videospiele magst“, neckt er seine Schwester. „Du hast einfach den "falschen" genetischen Code von Mama und Papa bekommen.“
„Haha“, erwidert Onna mit einem Lächeln. „Und vielleicht erklärt das auch deine schlechten Witze.“
„Na gut, jetzt sind wir wieder bei der gewohnten Geschwisterrivalität“, lacht ihre Mutter. „Weißt du was? Ob du es nun einen Code oder ein Rezept oder den Text in einem Buch nennen willst, ich denke, eure DNA ist genau richtig. Und ich bin froh, dass ihr nicht genau gleich seid, denn ihr habt unterschiedliche Stärken, mit der ihr die Welt zukünftig verbessern könnt. Wenn ihr euch weiter mit Wissenschaft beschäftigt, kann ich es kaum erwarten, zu sehen, was für Probleme ihr beide eines Tages lösen werdet.“
„Darin sind wir uns wohl alle einig“, sagt Onna und gibt ihrem Bruder ein High-Five. Dann gehen sie zurück in ihre Zimmer, um über Videospiele und Roboter nachzudenken und die Welt zu einem besseren Ort zu machen.
