Jenseits der Gene — Wie uns der Informationsreichtum der Erbsubstanz Freiheit schenkt

Fr, 22.08.2014 - 06:35 — Gottfried Schatz

Icon BiologieGottfried SchatzIm Vergleich zum (zweit)kleinsten Genom des Bakteriums Mycoplasma genitalium, das diesem gerade das Überleben ermöglicht, enthält das Genom des Menschen nur fünfzigmal mehr Gene. Wie daraus dennoch eine ungeheure Vielzahl und Vielfalt an Proteinen entstehen, die aus der Struktur unseres Genoms nicht eindeutig ablesbar sind und jeden von uns zum unverwechselbaren molekularen Individuum machen, schildert der prominente Biochemiker Gottfried Schatz..

Wer bin ich? Wie unerbittlich bestimmen meine Gene, wer ich bin - oder sein könnte? Bin ich einmalig - oder nur eine von sechs Milliarden identischen biochemischen Maschinen? Diese Fragen konnte mir während meiner ersten Lebenshälfte nur große Kunst beantworten. Philosophie und Wissenschaft ließen mich im Stich, da sie noch nicht erkannt hatten - oder nicht wahrhaben wollten -, dass der Schlüssel zum Verständnis lebender Wesen im chemischen Aufbau lebender Materie liegt.

Diese Erkenntnis schenkten uns während meiner zweiten Lebenshälfte Physik und Biologie, die damit nach langer Verbannung wieder zu Eckpfeilern der Philosophie wurden. Sie enthüllten die immense Komplexität lebender Zellen, den gemeinsamen Ursprung alles Lebens auf unserer Erde und die Einmaligkeit jedes Menschen. Vielleicht werden sie uns auch bald zeigen, dass wir mehr sind als vorprogrammierte biochemische Maschinen. Wenn ihnen dies gelänge, würden sie uns von einer unserer bedrückendsten Kränkungen erlösen.

Diese Kränkung ist ein ungewolltes Nebenprodukt der wissenschaftlichen Schau unserer Welt und ist nie überzeugend widerlegt worden. Im Gegenteil, die Entdeckung der Gene und ihrer Wirkungsweise sowie die Aufklärung der chemischen Struktur der gesamten menschlichen Erbsubstanz (des menschlichen Genoms) festigten die Vorstellung, dass ererbte Gene unerbittlich unsere Handlungen und unser Schicksal bestimmen.

Könnte der Informationsreichtum unseres Genoms die Tyrannei der Gene unterlaufen? Lebende Zellen sind die komplexeste Materie, die wir kennen. Da die Komplexität eines Objektes ein Maß für die Menge an Information zur vollständigen Beschreibung des Objekts ist, verkörpert eine lebende Zelle sehr viel mehr Information als zum Beispiel ein Gestein. Diese Information ist im Genom jeder Zelle in fadenförmigen DNS-Riesenmolekülen in einer chemischen Buchstabenschrift gespeichert. Das Genom des einfachsten bekannten Bakteriums, Mycoplasma genitalium, hat 580 700 Buchstaben, die etwa 500 Gene beschreiben. Da die meisten Gene Bauplan für ein bestimmtes Protein sind, kann Mycoplasma genitalium etwa 500 verschiedene Proteine herstellen. Diese reichen knapp zum Überleben, so dass Mycoplasma genitalium auf keines seiner Proteine verzichten kann. Alle Zellen einer Mycoplasma-Kolonie sind deshalb, von seltenen Mutanten abgesehen, im Wesentlichen identisch.

Lesen und interpretieren

Unser eigenes Genom ist im Kern jeder Zelle gelagert und hat 3,2 Milliarden Buchstaben. Obwohl es fast sechstausendmal grösser als das von Mycoplasma genitalium ist, hat es nur fünfzigmal mehr (bis zu 25 000) Gene. Der Grund ist, dass über 95 Prozent unseres Genoms keine für uns erkennbaren Gene trägt. Unsere Körperzellen besitzen von den meisten unserer 25 000 Gene eine mütterliche und eine väterliche Variante und können deshalb theoretisch über 50 000 verschiedene Proteine bilden. In Wirklichkeit ist diese Zahl noch wesentlich höher, da unsere Zellen Gene verschiedenartig lesen können: Sie können an verschiedenen Stellen im Gen zu lesen beginnen, nur einzelne Teile lesen oder die gelesene Information nachträglich verändern. So können sie aus einem Gen bis zu zehn oder mehr verschiedene Proteine hervorzaubern.

Darüber hinaus können sie bereits gebildete Proteine durch Anheften oder Abspalten chemischer Gruppen weiter verändern. Da wir die meisten dieser Veränderungen aus der Struktur unseres Genoms nicht eindeutig ablesen können, wissen wir nicht, wie viele verschiedene Proteine unser Körper herstellen kann. Wahrscheinlich sind es über hunderttausend. Der Reichtum unseres genetischen Erbes liegt also nicht nur in seiner Größe, sondern auch in der Virtuosität, mit der wir uns seiner bedienen. Bakterien lesen ihr Genom; wir interpretieren unseres. Wir gleichen Musikern des 17. und 18. Jahrhunderts, die einen vorgegebenen Generalbass verschieden erklingen lassen konnten. Unsere Gehirnzellen scheinen zudem einige ihrer Proteine als Antwort auf Umweltreize chemisch zu verändern, so dass die Variationsmöglichkeit unserer Zellproteine praktisch unermesslich wird.

Jeder Mensch ist deshalb ein unverwechselbares molekulares Individuum. Dies gilt selbst für genetisch identische eineiige Zwillinge. Ein eineiiger Zwillingsbruder Roger Federers sähe zwar seinem berühmten Bruder ähnlich, könnte aber durchaus ein eher mittelmässiger Tennisspieler sein. Der Informationsreichtum des Genoms schenkt jedem von uns Einmaligkeit. Der Informationsgehalt des Genoms bestimmt den Rang eines Lebewesens in der Hierarchie des Lebens. Ein informationsarmes Genom ist der Erzfeind von biologischer Freiheit und Individualität. Je mehr Information ein Genom trägt, desto mehr Freiraum gewährt es dem reifenden Organismus für die Entwicklung seiner Einmaligkeit.

Die 10 000 Milliarden funktionell vernetzten Zellen unseres Körpers enthalten so viel Information, dass es vielleicht grundsätzlich unmöglich ist, die Handlungen eines Menschen präzise zu steuern oder vorherzusagen. Vielleicht braucht es für das Verständnis derart komplexer Systeme völlig neue Denkansätze. Unsere Naturgesetze gelten nur innerhalb gewisser Grenzen - viele der Gesetze, die in unseren sinnlichen Erfahrungen fußen, versagen bei extrem kleinen Dimensionen oder extrem hohen Geschwindigkeiten. Könnte es sein, dass auch extrem komplexe Systeme eigenen Regeln gehorchen?

Kein Gesetzbuch

Unser Genom ist zudem kein ehernes Gesetzbuch, sondern eher eine Sammlung flexibler Regeln. Die Gene unseres Immunsystems tauschen spontan Teile untereinander aus, um uns ein möglichst großes Spektrum schützender Immunproteine zu schenken. Im reifenden Mäusegehirn scheinen kurze Genstücke spontan ihren Platz im Genom zu wechseln und dabei die Entwicklung der Nervenzellen zu beeinflussen. Auch in Bakterien können Genstücke im Genom umherspringen, wenn Hitze oder Gifte die Zellen bedrohen. Die Umwelt spricht also mit Genen und kann sie verändern. Ist dieses Wechselspiel präzise gesteuert - oder ist es ein Würfelspiel? Und wenn schon die Umwelt mit unserem Genom würfelt, könnte es sein, dass auch wir dies tun, ohne es zu wissen?

Der Physiker Erwin Schrödinger hat als Erster vermutet, dass der hierarchische Aufbau lebender Materie die Zufälligkeit molekularer Würfelspiele auf ganze Lebewesen übertragen und diese unvorhersagbar machen könnte. Im Gegensatz zu einem typischen Kristall sind in lebenden Zellen die einzelnen Moleküle nicht gleichwertig, sondern Glieder streng organisierter Befehlsketten. In einigen Zellen scheinen Schlüsselmoleküle dieser Befehlsketten in so geringen Stückzahlen vorzuliegen, dass ihre Reaktionen mit Partnermolekülen statistisch schwanken und quantitativ nicht mehr vorhersagbar sind. Diese zufälligen Schwankungen könnten das Verhalten eines ganzen Lebewesens beeinflussen und es zumindest teilweise aus den Fesseln genetischer Vorprogrammierung befreien.

Könnte diese Befreiung uns Willensfreiheit schenken? Die Frage bleibt offen. Wir wissen noch zu wenig über unser Gehirn und unser Bewusstsein, um zu verstehen, was «Willensfreiheit» bedeutet.

Zufällige Fluktuationen in den Reaktionen biologischer Steuermoleküle dürften jedoch erklären, weshalb genetisch identische und unter gleichen Bedingungen aufgezogene Fadenwürmer auf Hitze verschieden reagieren und verschieden lange leben; weshalb Zellen einer genetisch homogenen Bakterienkolonie auf Gifte oder Nahrungsstoffe individuell verschieden ansprechen; und weshalb genetisch identische Bakterienviren ihre Opfer auf unterschiedliche Art infizieren können. In seinem Streben nach Vielfalt lässt das Leben offenbar nichts unversucht, um eine Tyrannei der Gene zu verhindern. Was an mir ist gigantisch verstärktes molekulares Rauschen? Wie stark unterläuft dieses Rauschen meine genetische Programmierung? Manche mögen in ihm den göttlichen Atemzug verspüren. Mir erzählt es vom Wunder meines Daseins als hochkomplexe Materie in einem chemisch urtümlichen Universum.

Weiterführende Links

Artikel von Gottfried Schatz zu verwandten Themen auf ScienceBlog.at

Zum humanem Genom

 

Tags