Stammzellen verarbeiten im menschlichen Körper genetische Informationen außergewöhnlich zuverlässig und sehr schnell. Dazu greifen sie gezielt auf bestimmte Abschnitte der DNA im Zellkern zu. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben untersucht, wie die DNA-basierte Informationsverarbeitung funktioniert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass dieser Prozess mit Vorgängen in modernen Computern vergleichbar ist und daher als Modell für neuartige DNA-basierte Computerchips dienen könnte. Veröffentlicht in „Annals of the New York Academy of Sciences“. (DOI: 10.1111/nyas.15415)
In menschlichen Zellen befinden sich etwa 20.000 Gene auf einem zwei Meter langen DNA-Strang – fein aufgerollt in einem etwa zehn Mikrometer großen Zellkern. Zum Vergleich: Das entspricht einem 40 Kilometer langen Faden, der in einen Fußball gepackt ist. Trotz dieses beengten Raums gelingt es Stammzellen, innerhalb von Minuten die richtigen Gene zu finden und zu aktivieren. Welche das sind, ist von Zelle zu Zelle unterschiedlich. Eine präzise Aktivierung ist entscheidend, da Fehler bei der Genauswahl zu Krankheiten oder Zelltod führen können.
Die Untersuchungen der KIT-Forscher haben gezeigt, dass biomolekulare Kondensate eine schnelle und dennoch zuverlässige Aktivierung der richtigen Gene ermöglichen. „Biomolekulare Kondensate sind winzige Tröpfchen, die sich an bestimmten Stellen der DNA bilden – ähnlich wie die Tropfen auf dem Badezimmerspiegel nach einer heißen Dusche – und sich wie Öl in Wasser verhalten“, erklärt Professor Lennart Hilbert vom Institut für Biologische und Chemische Systeme (IBCS) des KIT. „Sie enthalten molekulare Maschinen, also eine Ansammlung bestimmter Moleküle, die für die Aktivierung von Genen notwendig sind.“ Dieser Prozess erinnert an ein zentrales Prinzip der Informatik, das modernen Computern und Smartphones zugrunde liegt: die Von-Neumann-Architektur. In dieser Architektur kann ein einzelner Prozessor sehr schnell auf eine einzelne Adresse in einem großen Speicher, oft RAM genannt, zugreifen. Dieses Prinzip wollen die Forscher nun auf künstliche, DNA-basierte Computerchips übertragen, um beispielsweise biotechnologische und biomedizinische Anwendungen steuern zu können.
Oberflächen, die rechnen
„Um solche biomolekularen Kondensate, also die Rechenzentren der Zellkerne, nachzubauen und künstliche DNA-Nanostrukturen für Computerchips zu bauen, kombinieren wir traditionelle Laborexperimente mit modernen Computersimulationen. Mithilfe der digitalen Modelle der DNA-Nanostrukturen können wir das Verhalten der Kondensate verstehen und sogar vorhersagen“, sagt Mona Wellhäusser, Doktorandin am IBCS und eine der Co-Autorinnen der Studie.
Dazu simulieren die Wissenschaftler digital ein System, in dem Enzyme wie kleine Maschinen arbeiten und bestimmte Aufgaben erfüllen, beispielsweise Berechnungen durchführen. Um diese Enzyme an die richtige Stelle auf der DNA zu bringen, nutzen sie die Oberflächenkondensation. Dabei lagern sich die Enzyme von selbst an bestimmten Stellen der DNA an – genau dort, wo sie benötigt werden. Werden in der Simulation Kandidaten identifiziert, die sich korrekt verhalten, werden diese im Labor synthetisiert und im Reagenzglas auf ihre tatsächlichen Eigenschaften untersucht. „Das beschleunigt den Forschungsprozess enorm, da Computersimulationen deutlich weniger Zeit benötigen als Laborexperimente“, sagt Hilbert. „Bisher konnten wir nur auf eine Adresse zugreifen. Doch mit unserer Forschung ebnen wir den Weg für die Entwicklung eines umfassenderen Adresssystems und völlig neuer, DNA-basierter Speicher- und Computersysteme, deren Architektur der Natur nachempfunden ist.“
Der Corona-mRNA-Impfstoff und eine kürzlich erfolgreiche patientenindividuelle, „programmierte“ Gentherapie demonstrierten bereits das Potenzial von Biotechnologien, die sich über DNA und RNA programmieren lassen, so die Wissenschaftler. Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsfeld sind „DNA-Chips“ zur intelligenten Steuerung von Krebstherapien. Sie könnten Immunzellen so umprogrammieren, dass sie aktiv werden, sobald sie auf Krebszellen treffen.
Originalpublikation
Lennart Hilbert, Aaron Gadzekpo, Simon Lo Vecchio, Mona Wellhäusser, Xenia Tschurikow, Roshan Prizak, Barbara Becker, Sandra Burghart, Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe: Chromatin-associated condensates as an inspiration for the system architecture of future DNA computers. Annals of the New York Academy of Sciences, 2025. DOI: 10.1111/nyas.15415
