Gentechnik Ein künstliches Immunsystem

Die Vorstellung klingt phantastisch: Milliarden intelligenter Maschinen, jede kleiner als ein Staubkorn, schwirren in unserem Körper umher und machen gezielte Jagd auf Krebszellen und andere krankhafte Veränderungen. Werden sie fündig, setzen sie sofort einen entsprechenden Wirkstoff frei, der die kranken Zellen schon im Frühstadium abtötet.

Auch wenn bislang noch niemand wirklich sagen kann, wie sich solche nanometergroße Roboter verwirklichen lassen, arbeiten die Wissenschafler unverdrossen an ihrer Vision. Und das offenbar mit Erfolg, wie die jüngsten Forschungen israelischer Wissenschaftler zeigen. Ehud Shapiro und seine Kollegen haben einen biologischen Rechenautomaten ersonnen, der - zumindest im Reagenzglas - wie ein kleines Immunsystem funktioniert. Er stellt selbständig die Diagnose und leitet bei einem positiven Befund entsprechende Gegenmaßnahmen ein.

DNS als Rechenmaschine

Herzstück des Rechenautomaten ist der kompakteste und zugleich größte Informationsträger der Natur: die Desoxyribonukleinsäure (DNS). In der Abfolge ihrer Bausteine, der Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T), ist der gesamte Bauplan des Lebens gespeichert und codiert. Ständig wird von diesem biologischen Speicherband genetische Information gelesen, vervielfältigt und von einer Form in eine andere übergeführt. Dabei läuft in der Zelle eine komplexe molekulare Maschinerie ab, die wie ein Rechenwerk ständig Informationen liest, verarbeitet und wieder ausgibt.

Daß man die Fähigkeit der Erbsubstanz und anderer Biomoleküle auch zum Berechnen komplexer mathematischer Aufgaben aus der Kombinatorik und der Boolschen Algebra nutzen kann, zeigte 1994 erstmals Leonard Adleman. Der Informatiker von der University of Southern California in Los Angeles hatte erkannt, daß man mit einer Reihe komplizierter biochemischer Abläufe, bei denen man DNS-Moleküle spaltet, die Basensequenzen vervielfältigt oder zwei komplementäre DNS-Einzelstränge zu einem Doppelstrang verbindet, alle Vorgänge einer Turing-Maschine nachvollziehen kann.

Die von Alan Turing 1936 entworfene universelle Rechenmaschine besteht lediglich aus drei Komponenten, einem Schreib- und Lesekopf, einem Schaltwerk sowie einem unendlich langen Speicherband, das aus einer Folge von Einsen und Nullen besteht. Turing konnte beweisen, daß sich mit seiner hypothetischen Maschine jede mathematische Aufgabe berechnen läßt, insofern sie lösbar ist.

Superhirn aus DNS

Auf dem Prinzip der Turing-Maschine beruhte auch der DNS-Computer, den Ehud Shapiro und seine Kollegen erstmals vor zwei, drei Jahren präsentierten. Während Adlemans biologische Rechenmaschine noch der strengen Überwachung durch den Wissenschaftler bedurfte, arbeitete die israelische Rechenmaschine bereits völlig autonom. Mittlerweile muß man dem Rechner nicht einmal mehr Energie zuführen. Diese bezieht er aus den Bindungen der DNS-Moleküle.

Zudem sind die Stoffmengen, die man für den molekularen Computer benötigt, äußerst gering. Mit einem Teelöffel DNS könnten mehr als 300 Billionen Rechenschritte pro Sekunde ausgeführt werden, wobei nur 25 Mikrowatt verbraucht würde. Eine Leistung, die dem israelischen DNS-Computer einen Eintrag ins Guinnessbuch der Rekorde gebracht hat, als weltweit kleinste Rechenmaschine. Dreh- und Angelpunkt sind doppelsträngige Erbmoleküle, die als Eingabe- und Software-Moleküle fungieren.

Informationen wie die Eingabedaten, Rechenvorschriften und der momentane Zustand der Maschine sind in den Sequenzen der vier Basen A, C, G, und T kodiert. Die Forscher benutzen allerdings unvollständige DNS-Doppelstränge, die jeweils ein überstehendes, längeres Ende besitzen. An diese Stelle können sich die Eingabe- und Software-Moleküle spontan anlagern, falls ihre Basensequenzen zueinander passen. Haben sich zwei DNS-Moleküle gefunden, ist ein Rechenschritt vollzogen.

Der Doktor im Reagenzglas

Das Restriktionsenzym Fok-I - gewissermaßen die Hardware - hält die molekulare Maschine am Laufen. Es trennt die zusammengeklebten Eingabe- und Software-Moleküle an bestimmten Stellen wieder auf und führt sie dem nächsten Rechenschritt zu. Das Ganze läuft so lange, bis kein passendes Eingabe-Molekül zum Andocken mehr bereitsteht. Nun muß man nur noch den Endzustand der Maschine bestimmen. Dieser lautet entweder "Ja" oder "Nein" - entsprechend der Basensequenz des ungepaarten Einzelstrangs der noch vorliegenden DNS-Moleküle.

Mit dem Verfahren gelang es Shapiro und seinen Kollegen bereits, einfache mathematische Ja-Nein-Aufgaben zu lösen, etwa, ob in einer vorgegebenen Liste von Nullen und Einsen die Anzahl der Einsen gerade oder ungerade ist. In ihren jüngsten Experimenten haben sich die Forscher mehr dem biologischen Aspekt ihres Biorechners zugewandt.

Das Ergebnis ist eine Art künstliches Immunsystem, das in einer Testlösung nach bestimmten Krebsmarkern - sogenannter Boten-RNS - fahndet, die typisch sind für Prostatakrebs und für ein bestimmtes Lungenkarzinom. Krankhafte Genveränderungen der Zellen spiegeln sich unter anderem in mutierter Boten-RNS beziehungsweise einem Zuviel oder Zuwenig dieser Moleküle wider.

Der Biocomputer wurde so programmiert, daß Abweichungen von der Normalkonzentration durch bestimmte Folgen von DNS-Basen der Eingabe-Moleküle kodiert werden. Schritt für Schritt prüft die Maschine, ob die Boten-Moleküle in normalen Mengen vorhanden sind. Sind alle Konzentrationen verändert - also Krebszellen vorhanden -, wird ein Wirkstoff freigesetzt. Dabei handelt es sich um kurze DNS-Einzelstränge, die die kranken Zellen abtöten, indem sie wichtige Gene blockieren. Im anderen Fall zeigt der Biocomputer keine Reaktion.

Schwere Umsetzung in die Medizin

Die ersten Versuche verliefen vielversprechend. Alle Schritte - vom Aufspüren charakteristischer Krebsmarker über die Diagnose bis zur Zerstörung der Tumorzellen - liefen selbständig ab, ohne eine zusätzliche Kontrolle und Steuerung, wie Shapiro und seine Kollegen in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" vorab berichten. Die Forscher sind aber zurückhaltend, was die medizinische Relevanz des Verfahrens betrifft. Damit der molekulare Rechner funktioniert, müssen nämlich ein Dutzend Substanzen im richtigen Mengenverhältnis gemischt werden und zusammenarbeiten - Voraussetzungen, die man nur in einem Reagenzglas schaffen kann.

In einer lebenden Zelle jedoch können Tausende anderer Moleküle den Prozeß stören und den molekularen Rechner sogar zerstören. Bis ein DNS-Computer im menschlichen Körper arbeiten kann, ist es noch ein langer Weg. Doch Shapiro gibt sich optimistisch: "Vor gut zwei Jahren hatten wir noch geglaubt, daß es zehn Jahre dauern würde, bis wir an dem Punkt sein werden, wo wir uns heute befinden."