Das Alphabet der Gene:

Die Erbinformation besteht aus nur vier verschiedenen Buchstaben

06.03.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Illustration der Arabidopsis thaliana. Sie ist die Modellpflanze der Pflanzenforschung schlechthin. (Bildquelle: © Pflanzenforschung.de)
Illustration der Arabidopsis thaliana. Sie ist die Modellpflanze der Pflanzenforschung schlechthin. (Bildquelle: © Pflanzenforschung.de)

Wie ist das Erbgut aufgebaut? Wie groß ist es eigentlich und kann es sich verändern?

Pflanzen besitzen wie alle anderen Lebewesen einen Informationsspeicher, auf dem sich ihre Bauanleitung befindet. Es ist die wohlbekannte DNA. Ein sehr langes Molekül, das sich nur aus vier verschiedenen Bausteinen (Basen) aufbaut, die mit A, T, C und G abgekürzt werden. Diese vier Buchstaben sind also das einfache Alphabet der Erbinformation. Doch welche Informationen sind in der Abfolge der Buchstaben A, T, C und G in der DNA enthalten? Es sind die Bauanleitungen für tausende von unterschiedlichen Proteinen (Eiweiße).

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Codon-Übersicht: In der Mitte stehen die vier Buchstaben A,C,G und T. Werden diese mit zwei weiteren Basen kombiniert, erhält man am Ende eine Aminosäure. Jeder Buchstabe steht für eine andere Aminosäure. Das Schaubild zeigt, dass manche Aminosäuren aus verschiedenen Basen-Kombinationen bestehen, z. B. Proline.

Quelle: © OpenClipart-Vectors/Pixabay /CC0

Proteine bestehen aus einer Kette von sogenannten Aminosäuren. Und die Abfolge dieser Bausteine – und damit die Bauanleitung - ist in der DNA gespeichert. Jeweils drei aufeinanderfolgende Basen stehen für jeweils eine bestimmte von 21 möglichen verschiedenen Aminosäuren und werden Codon genannt. GGT ist z. B. das Codon für die Aminosäure Glycin, GCC steht für die Aminosäure Alanin, AAG für Lysin.

Wie groß ist eigentlich das Erbgut?

Das ist ganz unterschiedlich. Beispielsweise ist das Erbgut – auch Genom genannt – von der Wildpflanze Arabidopsis thaliana (Kleine Ackerschmalwand) recht klein. Es besteht aus „nur“ 125 Millionen Buchstaben. Deshalb ist die Ackerschmalwand die Pflanze, deren Erbgut am besten erforscht ist. Diese Pflanze wird daher auch gerne als Modell für genetische Studien herangezogen. Wer das gesamte Erbgut dieser Pflanze als Sonifikation anhören möchte, muss sich dazu allerdings mehr als 195 Tage Zeit nehmen. Das Genom der Arabidopsis benötigt abgedruckt in einem Buch etwa 70.000 Seiten.

Das Weizengenom ist ein Spitzenreiter und besteht aus sage und schreibe 17 Milliarden Buchstaben. Eine Sonifikation benötigt in diesem Fall über 68 Jahre! Im Vergleich dazu dauert es nur etwa 14 Jahre, die 3,27 Milliarden Buchstaben des menschlichen Erbgutes anzuhören.

Erbinformationen verändern sich mit der Zeit

Das Erbgut der Pflanzen und aller anderen Lebewesen ist nicht unveränderlich. Das Erbgut – also die DNA - muss bei Zellteilungen immer wieder kopiert werden, damit auch alle neuen Zellen über die Erbinformationen verfügen. Dabei treten immer wieder kleine Fehler auf. Es können einzelne Buchstaben verändert werden, Abschnitte verloren gehen oder an anderer Stelle eingefügt werden. Diese sogenannten Mutationen leisten einen wesentlichen Beitrag zur Evolution. Denn diese zufälligen Fehler können auch dazu führen, dass sich die Eigenschaften von Pflanzen ändern und sie sich dadurch besser an ihre Umwelt anpassen.

Bei der Pflanze Ackerschmalwand haben Forscher diese natürliche Mutationsrate auch gemessen. Von einer zur nächsten Generation ändern sich im Erbgut etwa 2-3 einzelne Buchstaben im genetischen Code. Und durchschnittlich alle zwei Generationen gehen auch längere DNA-Abschnitte verloren oder werden hinzugefügt.

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CRISPR/Cas ist eine neue Methode, um DNA-Bausteine zu verändern. Das Video erklärt, wie sie funktioniert.

Quelle: © Max-Planck-Gesellschaft

Züchter nutzen Mutationen

Züchter suchen nach nützlichen Mutationen in Kulturpflanzen. Solche Erbgutveränderungen führen beispielsweise dazu, dass die Pflanzen ertragreicher oder widerstandsfähiger gegen Krankheiten und Wetterextreme werden können.

Um die Züchtung zu beschleunigen, können Züchter auch die Zahl der Mutationen künstlich erhöhen. Dazu bestrahlen sie die Pflanzen oder können das auch durch Zugabe bestimmter Chemikalien erreichen. Rund 1.000 Mutationen entstehen dabei in einer Pflanze. Der Nachteil ist, dass diese Technik nicht sehr zielgerichtet ist. Die meisten Mutationen sind nutzlos oder schädlich für die Pflanzen. Aus tausenden von Pflanzen müssen die Züchter die wenigen Pflanzen identifizieren, deren Eigenschaften sich tatsächlich verbessert haben. Das ist sehr zeit- und kostenaufwendig.

Sehr viel zielgerichteter sind neue Techniken, die als Genom-Editierung bekannt sind. Mit speziellen molekularen Werkzeugen kann eine Mutation an einer genau geplanten Stelle im Erbgut eingeführt werden. So kann beispielsweise die gezielte Veränderung eines einzigen Buchstabens des genetischen Codes schon zum Züchtungserfolg führen. Das ist beispielsweise bei Weizen gelungen, der dadurch gegen eine Pilzerkrankung resistent wurde.

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