Die Op­ti­ma­li­tät des ge­ne­ti­schen Codes – ein kla­rer Be­leg für In­tel­li­gen­tes Design

Der ge­ne­ti­sche Code wur­de in den 1960er-Jah­ren ent­schlüs­selt und ist der Code, durch den die In­for­ma­ti­on zur Her­stel­lung von Pro­te­inen in der DNA über­mit­telt wird. Ei­ne be­mer­kens­wer­te Tat­sa­che ist, dass al­le Or­ga­nis­men prak­tisch den­sel­ben Code be­sit­zen, wäh­rend theo­re­tisch Mil­li­ar­den sol­cher Codes auf­tre­ten könn­ten. Noch im­mer gilt dies als Be­weis für die ge­mein­sa­me Ab­stam­mung al­ler Or­ga­nis­men. Neue Ent­de­ckun­gen zei­gen je­doch, dass die­ser Code op­ti­mal ist, um die Wir­kung von Mu­ta­tio­nen ab­zu­puf­fern. Der ge­ne­ti­sche Code ist da­her „an­tie­vo­lu­tiv“! Wer hät­te ge­dacht, dass der uni­ver­sel­le ge­ne­ti­sche Code heu­te ei­ner der bes­ten Be­wei­se für in­tel­li­gen­tes De­sign ist?

Die Wis­sen­schaft hat im Uni­ver­sum au­ßer mit En­er­gie und Ma­te­rie ganz of­fen­sicht­lich auch mit In­for­ma­ti­on zu tun. In Ato­men und Mo­le­kü­len er­ken­nen wir zum ei­nen in­so­fern In­for­ma­ti­on, als sie sich in den Na­tur­ge­set­zen, im un­sicht­ba­ren ato­ma­ren und mo­le­ku­la­ren Ver­bin­dungs­ver­hal­ten der Ato­me und Mo­le­kü­le ma­ni­fes­tiert. In der Bio­lo­gie ist sie zum an­de­ren in Ent­wick­lungs­ab­läu­fen er­kenn­bar, nach de­nen sich ein­zel­ne Keim­zel­len ge­setz­mä­ßig zu Or­ga­nis­men ent­wi­ckeln. Die im­mer wie­der­keh­ren­de Cho­reo­gra­phie der frü­hen Ent­wick­lung des Fa­den­wurms, die die Ent­fal­tung von ge­nau 671 Zel­len um­fasst, und der Zell­tod von 111 Zel­len (oder 113, je nach dem Ge­schlecht des Fa­den­wurms) ist für die in bio­lo­gi­schen Sys­te­men vor­han­de­ne In­for­ma­ti­on bei­spiel­haft. Auch der vor­pro­gram­mier­te Tod der nicht mehr be­nö­tig­ten Zel­len wird durch In­for­ma­ti­on be­stimmt. Die Or­ga­ni­sa­ti­on und der Selbst­auf­bau, zwei ty­pi­sche Merk­ma­le des sich ent­fal­ten­den Le­bens, sind durch In­for­ma­ti­on ge­steu­er­te Phänomene.

In­for­ma­ti­on wur­de von den ma­te­ria­lis­ti­schen Phi­lo­so­phen des 19. Jahr­hun­derts, den Na­tu­ra­lis­ten, nicht be­ach­tet, da das In­for­ma­ti­ons­kon­zept, wie wir es heut­zu­ta­ge ken­nen, noch nicht ent­wi­ckelt war. Ein Pa­ra­de­bei­spiel ist das Erb­mo­le­kül DNA. Die Ab­fol­ge der Bau­stei­ne der DNA ist ape­ri­odisch, d. h. sie exis­tiert als ei­ne schier un­end­li­che Rei­he von au­gen­schein­lich un­ge­ord­ne­ten Ab­fol­gen che­mi­scher Ver­bin­dun­gen (den Nu­kleo­ti­den Ade­nin, Thy­min, Cy­to­sin und Gua­nin, die mit den Sym­bo­len A, C, T und G ab­ge­kürzt wer­den). Die Nicht-Pe­ri­odi­zi­tät er­mög­licht es, ein In­for­ma­ti­ons­trä­ger zu sein, wie das auch bei un­se­rer nicht-pe­ri­odi­schen Spra­che der Fall ist. Ei­ne DNA-Se­quenz ist dem­entspre­chend ei­ne Sym­bo­li­sie­rung funk­tio­na­ler Merk­ma­le, die wir in Le­be­we­sen vorfinden.

Die In­for­ma­ti­on ei­ner DNA-Se­quenz kann ih­re Funk­ti­on al­ler­dings nur dann ent­fal­ten, wenn sie von De­co­die­rungs-Ma­schi­nen ab­ge­le­sen wird. Die­se Ma­schi­nen sind eben­so wie die di­gi­ta­li­sier­te In­for­ma­ti­on in der DNA der Zel­len vor­han­den. Die co­dier­te In­for­ma­ti­on wird be­nö­tigt, da­mit sich ei­ne ein­zi­ge Zel­le zu­erst zu ei­nem Em­bryo, wei­ter zu ei­nem Fe­tus, zu ei­nem Ba­by und schließ­lich zu ei­nem er­wach­se­nen In­di­vi­du­um entwickelt.

Das Ge­nom des Men­schen (al­so sein kom­plet­tes Erb­gut) und wei­te­re epi­ge­ne­ti­sche In­for­ma­ti­ons­sys­te­me ent­hal­ten zum Bei­spiel die In­for­ma­ti­on für den Auf­bau ei­ner Hand mit fünf Fin­gern und ei­nes Fu­ßes mit fünf Ze­hen, und für die Stel­len, wo die Seh­nen be­fes­tigt wer­den müs­sen. Eben­so gibt es In­for­ma­ti­on, wie durch den Stoff­wech­sel in den Zel­len Ami­no­säu­ren auf- und ab­zu­bau­en sind und wie dar­aus Pro­te­ine her­ge­stellt wer­den kön­nen. Die In­for­ma­ti­on im Ge­nom be­stimmt, wie meh­re­re hun­dert ver­schie­de­ne Zell­ty­pen ge­bil­det wer­den, und auch die Mo­le­kü­le, die da­für sor­gen, dass die ver­schie­de­nen Zell­ty­pen als Gan­zes funk­tio­nie­ren. In­for­ma­ti­on wird auch für den Bau und die Ent­wick­lung von Ma­gen, Le­ber, Nie­ren, Lun­gen und Herz und al­le an­de­ren Or­ga­ne be­nö­tigt. Die Form bzw. Aus­prä­gung von Or­ga­nen wie Au­gen oder Na­se ist in der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on fest­ge­legt. Al­le Ei­gen­schaf­ten ei­nes Or­ga­nis­mus ver­er­ben sich als In­for­ma­ti­ons­pa­ke­te. Das Ge­heim­nis des Le­bens ist, dass Le­be­we­sen auf In­for­ma­ti­on beruhen.

Der ge­ne­ti­sche Code. Die Tat­sa­che, dass es – mit we­ni­gen Aus­nah­men – nur ei­nen ein­zi­gen ge­ne­ti­schen Code bei al­len Or­ga­nis­men gibt, wur­de im ver­gan­ge­nen Jahr­hun­dert als ein über­zeu­gen­der Be­weis für den Grund­satz der uni­ver­sel­len Ab­stam­mung ge­fei­ert. Durch den Code ist die Zu­ord­nung der Ab­fol­gen von Nu­kleo­ti­den (A, C, G, T) zu ent­spre­chen­den Ab­fol­gen von Ami­no­säu­ren in Pro­te­inen fest­ge­legt. Je­weils drei Nu­kleo­ti­de ste­hen für ei­ne be­stimm­te Ami­no­säu­re (und ei­ni­ge ste­hen für Start und Stopp), und die­se Ent­spre­chung ist bei fast al­len Or­ga­nis­men gleich. Doch die­se Ein­heit­lich­keit des Codes hat noch ei­ne an­de­re Sei­te und die­se be­inhal­tet ei­nen gu­ten Grund, zu ei­ner an­de­ren Schluss­fol­ge­rung als „ge­mein­sa­me Ab­stam­mung“ zu ge­lan­gen. Zur Er­klä­rung müs­sen wir et­was ausholen.

Mit den vier di­gi­ta­li­sier­ten Sym­bo­len (A, T, C und G) kön­nen durch Drei­er­grup­pen (s. o.) ins­ge­samt 64 ver­schie­de­ne Kom­bi­na­tio­nen zu­sam­men­ge­stellt wer­den. Die­se so­ge­nann­ten Tripletts – oder Codons – ver­schlüs­seln al­so die Bau­stei­ne der Pro­te­ine, die Ami­no­säu­ren, wo­von es es nur 20 un­ter­schied­li­che in den Le­be­we­sen gibt (auch hier mit we­ni­gen Aus­nah­men). Es gibt al­so viel mehr Codons (64) als zu co­die­ren­de Pro­te­in­bau­stei­ne (20 Ami­no­säu­ren). Zu­sam­men mit dem Codon, das als Stopp­si­gnal fun­giert und an­zeigt, wo das Pro­te­in en­det, be­nö­ti­gen die Le­be­we­sen nicht mehr als 21 Codons, um al­le be­lie­bi­gen Pro­te­ine co­die­ren zu kön­nen. Wo­zu die­nen die rest­li­chen 43 Kombinationen?

Ge­nau ge­nom­men gibt es drei un­ter­schied­li­che Stopp­si­gna­le, die üb­ri­gen Codons er­wei­sen sich als al­ter­na­ti­ve Tripletts, die für die­sel­ben 20 Ami­no­säu­ren co­die­ren. Es heißt, der Pro­te­in­code ist ein de­ge­ne­rier­ter Code. Da­mit ist nicht ge­meint, dass er ir­gend­wie de­fekt sei, son­dern dass ei­ne be­stimm­te se­man­ti­sche Ein­heit (ei­ne be­stimm­te Ami­no­säu­re) durch meh­re­re un­ter­schied­li­che syn­tak­ti­sche Ab­fol­gen (die Codons) co­diert wird. Den meis­ten Ami­no­säu­ren ent­spre­chen meh­re­re Codons. Die Ami­no­säu­ren Se­rin, Ar­gi­nin und Leu­cin wer­den bei­spiels­wei­se von je­weils sechs un­ter­schied­li­chen Codons co­diert. Vier ver­schie­de­ne Codons ste­hen für je­weils fünf an­de­re Ami­no­säu­ren, näm­lich Ala­nin, Gly­cin, Pro­lin, Threo­nin und Va­lin. Die üb­ri­gen Ami­no­säu­ren wer­den durch ei­nen, zwei oder drei Codons co­diert; Ami­no­säu­ren, die von fünf Codons dar­ge­stellt wer­den, kom­men nicht vor. Wo­zu gibt es die­se selt­sa­me Ver­tei­lung? Wä­re ein Code, in dem al­le 20 Ami­no­säu­ren drei­fach co­diert wur­den, zu­züg­lich der vier Stopp­si­gna­le, nicht eben­so funk­ti­ons­fä­hig? Die­se selt­sa­me, un­glei­che Ver­knüp­fung von Codons und Ami­no­säu­ren war lan­ge Zeit rät­sel­haft. Im 21. Jahr­hun­dert ist die­ses Rät­sel dank un­se­res de­tail­lier­ten Wis­sens be­züg­lich der mo­le­ku­la­ren Grund­la­gen des Le­bens ge­löst wor­den: Der Code ist in ver­schie­de­ner Hin­sicht op­ti­mal, ins­be­son­de­re in Be­zug auf Feh­ler­to­le­ranz (Free­land et al. 2000).

Mit 64 ver­schie­de­nen Kom­bi­na­tio­nen von drei Sym­bo­len kön­nen wie er­wähnt 20 Ami­no­säu­ren auf vie­le Wei­sen zu­ge­ord­net wer­den. Theo­re­tisch sind Mil­li­ar­den sol­cher Zu­ord­nun­gen vor­stell­bar, wel­che als al­ter­na­ti­ve ge­ne­ti­sche Codes fun­gie­ren könn­ten. Mitt­ler­wei­le ist man in der La­ge, die­se al­ter­na­ti­ven Mög­lich­kei­ten zu er­pro­ben und zu be­wer­ten. Da­bei hat sich der tat­säch­lich vor­han­de­ne uni­ver­sel­le Code als op­ti­mal her­aus­ge­stellt, um zu­fäl­li­ge ge­ne­ti­sche Ver­än­de­run­gen (Mu­ta­tio­nen) so aus­glei­chen zu kön­nen, dass die Pro­te­ine sich in ih­rer Funk­ti­on mög­lichst nicht än­dern (Free­land et al. 2000). Der ge­ne­ti­sche Code ist ge­ra­de so mit der Syn­the­se von Pro­te­inen ver­bun­den, dass Mu­ta­tio­nen im Erb­gut das End­pro­dukt (Pro­te­in) mög­lichst we­nig be­ein­träch­ti­gen kön­nen. An­ders ge­sagt, der Code ist dar­auf­hin ein­ge­rich­tet, Ver­än­de­run­gen op­ti­mal vor­zu­beu­gen und den Sta­tus Quo zu be­wah­ren. Der Code ist op­ti­mal in al­len Le­be­we­sen und es gibt kei­nen Grund für die An­nah­me, dass es je­mals an­ders war. Das ist bemerkenswert.

Wenn man ein Team von Wis­sen­schaft­lern her­aus­for­dern wur­de, den für das Le­ben pas­sends­ten ge­ne­ti­schen Code zu ent­wer­fen, und vor­aus­ge­setzt, sie wüss­ten al­les über die mo­le­ku­la­re Bio­lo­gie, die Bio­che­mie und die Bio­phy­sik (was sie nicht tun), dann wür­den sie ge­nau die­sen Code (oder ei­nen sehr ähn­li­chen, gleich­wer­ti­gen Code) ent­wer­fen, den al­le Le­be­we­sen auf­wei­sen. Ist das nicht Grund zum Nach­den­ken? Zeugt die­se Fein­ab­stim­mung des uni­ver­sel­len Codes nicht eher von in­tel­li­gen­tem De­sign als von uni­ver­sel­ler Abstammung?

2013 be­schrieb ein rus­si­sches Team aus Bio-In­for­ma­ti­kern, dass der bio­lo­gi­sche Code, wie er in al­len Or­ga­nis­men vor­kommt, al­le In­di­zi­en ei­nes in­tel­li­gen­ten Ur­sprungs be­inhal­tet (sh­Cher­bak & Ma­ku­kov 2013). Sie äu­ßer­ten, dass das ei­gent­li­che Sze­na­rio für die Her­kunft des ir­di­schen Le­bens bei Wei­tem noch nicht ge­klärt sei, und dass die Idee, dass das Le­ben plan­voll von ei­ner In­tel­li­genz „aus­ge­sät“ wur­de, nicht a prio­ri aus­ge­schlos­sen wer­den dür­fe. Ein sta­tis­tisch star­kes in­tel­li­gen­tes Si­gnal im ge­ne­ti­schen Code ist ei­ne prüf­ba­re Fol­ge ei­nes sol­chen Sze­na­ri­os. Laut die­sen For­schern weist der Ami­no­säu­re-Code ei­ne aus­ge­feil­te Fein­ab­stim­mung auf, die den Kri­te­ri­en ent­spricht, die als In­for­ma­ti­ons­si­gnal zu be­trach­ten sind. Ge­nau und sys­te­ma­tisch er­schei­nen die zu­grun­de­lie­gen­den De­sign-Mus­ter als Pro­dukt der Prä­zi­si­ons­lo­gik und Fein­ab­stim­mung. Die Bio-In­for­ma­ti­ker sa­hen sich ge­zwun­gen, die Null­hy­po­the­se, wo­nach der Code ein Pro­dukt des Zu­falls sei, zu ver­wer­fen. Die Idee, dass der ge­ne­ti­sche Code auf na­tür­li­che Wei­se ent­stan­den ist, wur­de ent­schie­den in Fra­ge ge­stellt. Die De­sign-Mus­ter des Codes wa­ren so stark, dass die Code-Zu­ord­nung selbst ein­deu­tig aus ih­rer al­ge­brai­schen Dar­stel­lung ab­ge­lei­tet wer­den könn­te. Das da­hin­ter­lie­gen­de Si­gnal zeigt leicht er­kenn­ba­re Merk­ma­le der Künst­lich­keit, dar­un­ter das Sym­bol Null, die pri­vi­le­gier­te De­zi­mal­syn­tax und se­man­ti­sche Sym­me­trien. Von dem in­tel­li­gen­ten De­sign des Codes be­ein­druckt nann­ten sie ih­ren Ar­ti­kel The “Wow! si­gnal” of the ter­restri­al ge­ne­tic code. Als „Wow!-Signal“ be­zeich­nen As­tro­no­men, die den Kos­mos mit Ra­dio­te­le­ko­pen ab­su­chen, ein Si­gnal, das al­le Kenn­zei­chen ei­nes in­ter­stel­la­ren Kom­mu­ni­ka­ti­ons­ver­suchs von in­tel­li­gen­tem au­ßeri­di­schem Le­ben auf­weist. An­ders ge­sagt, das Si­gnal kann nur von in­tel­li­gen­ten Ur­he­bern her­rüh­ren. Ge­nau ein sol­ches Si­gnal fan­den die rus­si­schen For­scher in der DNA der le­ben­den Zellen!

Mein­te No­bel­preis­trä­ger Fran­cis Crick 1968 noch, der Pro­te­in­code sei ein ein­ge­fro­re­ner Zu­fall, stellt die mo­der­ne For­schung ihn als ei­nen au­ßer­or­dent­lich zu­ver­läs­si­gen In­for­ma­ti­ons­spei­cher mit ein­deu­ti­ger in­tel­li­gen­ten Si­gna­tur dar. Die­se neu­en wis­sen­schaft­li­chen Er­kennt­nis­se er­for­dern ei­ne Um­kehr des Den­kens: Die Fra­ge nach dem Ur­sprung des Le­bens kann bes­ser durch die An­nah­me ei­nes Schöp­fers be­ant­wor­tet werden.

Li­te­ra­tur

Free­land SJ, Knight RD, Land­we­ber LF & Hurst LD (2000) Ear­ly Fixa­ti­on of an Op­ti­mal Ge­ne­tic Code. Mole­cu­lar Bio­lo­gy and Evo­lu­ti­on 17, 511–518. https://​aca​de​mic​.oup​.com/​m​b​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​1​7​/​4​/​5​1​1​/​1​1​2​7​636

sh­Cher­bak V & Ma­ku­kov MA (2013) The “Wow! Si­gnal” of the ter­restri­al ge­ne­tic code. Ica­rus 224, 228–242. https://​www​.sci​en​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​a​b​s​/​p​i​i​/​S​0​0​1​9​1​0​3​5​1​3​0​0​0​791

Au­tor die­ser News: Pe­ter Bor­ger, 25.11.20

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