Das menschliche Genom

– Ein äußerst geniales Speicherungskonzept für Information

Von Werner Gitt

Tief im Innern unserer Zellen, in ihrem mikroskopisch kleinen Kern, wird das

wertvollste Material des Körpers aufbewahrt – es ist das Genom, unsere genetische

Information. Wussten Sie, dass die Informationsmenge unseres Genoms

(= Erbsubstanz in der Keimzelle) 3 Milliarden genetische Buchstaben umfasst? Als

Buchstaben aufgeschrieben und in normalen Taschenbüchern gedruckt (z. B.

„Fragen, die immer wieder gestellt werden“ hat 252 000 Buchstaben), ergäbe das

eine Menge von 12 000 Stück. Aufeinander gestapelt hätte der Bücherberg eine Höhe

von 170 Metern.

Sollte eine gute Sekretärin mit 300 Anschlägen pro Minute an 220 Arbeitstagen pro

Jahr bei einem Achtstundentag ununterbrochen daran arbeiten, um alle Buchstaben

des menschlichen Genoms abzuschreiben, so würde ihr gesamtes Berufsleben

nicht ausreichen, um diese Buchstabenmenge auch nur zu tippen. Sie wäre nämlich

95 Jahre damit beschäftigt! Würde man diesen kompletten Schreibmaschinentext in

eine einzige Zeile schreiben, so reichte die so erstellte Buchstabenkette vom Nordpol

bis zum Äquator.

Wussten Sie, dass ein wissenschaftlicher Programmierer im Mittel etwa 40 Zeichen

Programmcode pro Tag entwerfen kann, wenn man die Zeit von der Konzeption bis

zur Systempflege mit einbezieht? Geht man nur einmal von der Menge der Zeichen

im Genom des Menschen aus, so wäre für diese Programmieraufgabe ein Heer von

über 8000 Programmierern erforderlich, das sein gesamtes Berufsleben nur an

diesem Projekt arbeitete. Kein menschlicher Programmierer aber weiß, wie dieses

Programm zu gestalten ist, das auf einem gestreckten DNS-Faden von nur einem

einzigen Meter Platz hat.

Als Speichermedium der genetischen Information dient die doppelsträngige DNS

(chemischer Name: Desoxyribonukleinsäure). Sie besteht aus zwei Strängen, die

schraubenförmig umeinander gewunden sind und somit eine Doppelspirale bilden.

Die Buchstabenpaare sind in einer zur Helixachse senkrechten Ebene angeordnet.

Das DNS-Molekül hat einen Durchmesser von nur 2 Nanometern (1 nm = ein

Milliardstel Meter), und die Steigung des „Rechtsgewindes“ beträgt 3,4 nm. Dieses

Speichermedium benötigt beim Menschen nur das extrem kleine Volumen von 3·10-

9 mm3 (= drei Milliardstel Kubikmillimeter). Hier wurde eine so immense

Speicherdichte realisiert, von der die Chips der modernen Computer noch um

Zehnerpotenzen entfernt sind. Es ist die höchste bekannte Speicherdichte überhaupt!

Von der Speicherdichte dieses Materials wollen wir uns nun einen anschaulichen

Eindruck verschaffen:

Stellen wir uns vor, wir nehmen das Material eines Stecknadelkopfes von zwei

Millimetern Durchmesser und ziehen daraus einen so extrem dünnen Draht, dass er

gerade denselben Durchmesser hat wie das DNS-Molekül. Wie lang würde dieser

Draht wohl sein? Nun, er würde sage und schreibe 33-mal um den Äquator reichen!

Hätten Sie das gedacht?

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Fragt man gar, wie viele Taschenbücher in dem DNS-Volumen, das einem

Stecknadelkopf entspricht, unterzubringen wären, so kommt man auf 15 Billionen

Stück. Aufeinander gelegt ergäbe das einen Stapel, der noch 500-mal höher wäre als

die Entfernung von der Erde bis zum Mond, und das sind immerhin

384 000 Kilometer. Anders ausgedrückt: Würde man diese Menge der Bücher auf

alle Bewohner der Erde (z. Z. etwa 6,5 Milliarden Menschen) verteilen, so erhielte

jeder 2500 Exemplare!

Wie wird diese immense, technisch nicht nachahmbare Informationsdichte erreicht?

Drei Gründe sind zu nennen:

1) Im DNS-Molekül wird eine echte räumliche Speichertechnologie angewandt,

während Computerbausteine im Sinne einer Speicherbelegung nur eine

zweidimensionale Orientierung haben.

2) Zur Speicherdarstellung einer Informationseinheit genügt theoretisch ein

einziges Molekül. Bei der Konzeption des DNS-Moleküls ist diese

materialsparendste Technologie realisiert.

3) Bei den Computerchips sind aus technologischen Gründen nur zwei

Schaltzustände möglich; das führt zu ausschließlich binären Codierungen.

Beim DNS-Molekül gibt es vier chemische Zeichen; somit ist ein

Quaternärcode möglich, bei dem ein Zustand bereits zwei Bit repräsentiert.

Unsere gesamte genetische Information ist mit einer Bibliothek vergleichbar. Die

einzelnen Bände heißen Chromosomen, und ihre Kapitel nennt man Gene. Die Gene

sind Eintragungen in einem gigantischen Lexikon. Beim Menschen enthalten 23

Chromosomenpaare zweimal etwa 30 000 Erbmerkmale oder Gene. Jedes Gen

kommt als väterliches oder mütterliches Gen, also zweimal vor; darum spricht man

vom diploiden Chromosomensatz. Im Gegensatz zu diesen Körperzellen haben

Keimzellen (= Ei- und Samenzelle) jeweils nur einen einfachen (= haploiden; griech.

haploeides = einfach) Chromosomensatz. Bei 23 Chromosomen mit insgesamt

30 000 Merkmalen enthält also jedes Chromosom im Mittel rund 1300 Gene.

Unsere rund 30 000 genetischen Merkmale geben der Zelle präzise Hinweise, damit

sie alles Notwendige herstellen kann: z. B. Hormone, Enzyme, Schleim, Talg, die

Waffen des Immunsystems. Man kann nun fragen, wie die codierte Information

entschlüsselt und wie diese abstrakte Wortschrift in konkrete Proteinmoleküle

umgewandelt wird. Dies ist ein unaufhörlicher und komplexer Prozess, der auf einem

unglaublich kleinen Raum stattfindet, nämlich in den Zellen, die nur ein paar

hundertstel Millimeter Durchmesser haben.

Die obigen Darlegungen über das Speicherkonzept von Information in unseren

Zellen haben uns nur ein einziges Detail aus der Schöpferwerkstatt Gottes gezeigt,

das uns aber in besonderer Weise zum Staunen herausfordert. Das hatte der

Psalmist auch ohne unsere wissenschaftlichen Erkenntnisse herausgefunden,

wenn er anbetend bekennt: „Herr, wie sind deine Werke so groß. Deine Gedanken

sind so sehr tief“ (Psalm 92,6).

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