Leben ist Geometrie

Von KIM BELLARD

Im Jahr 2025 haben wir doch alles über die DNA herausgefunden, oder? Es ist über fünfzig Jahre her, seit Crick und Watson (und Franklin) die Doppelhelixstruktur entdeckten. Wir wissen, dass Permutationen von nur vier chemischen Basen (A, C, T und G) die enorme genetische Komplexität und Vielfalt auf der Welt ermöglichen. Wir haben das Humam-Genomprojekt durchgeführt. Wir können DNA mit CRISPR bearbeiten. Verdammt, wir arbeiten sogar an synthetischer DNA. Wir sind damit beschäftigt, andere Verwendungsmöglichkeiten für DNA zu finden, etwa für Computer, Speicher oder Roboter. Ja, wir sind auf dem neuesten Stand der DNA.

Nicht so schnell. Forscher der Northwestern University sagen, dass uns etwas fehlt: ein in Genomen eingebetteter geometrischer Code, der Zellen dabei hilft, Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Es sind nicht nur Kombinationen chemischer Basen, die dafür sorgen, dass die DNA funktioniert. Es gibt auch eine „geometrische Sprache“, die wir nicht gehört haben.

Warte, was?

Die Forschung – Geometrisch kodierte Positionierung von Introns, intergenen Segmenten und Exons im menschlichen Genom – wurde von Professor Vadim Backman, Sachs Family Professor für Biomedizintechnik und Medizin an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Direktor des dortigen Center for Physical Genomics and Engineering, geleitet. Die neuen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, sagt er: „Statt eines vorgegebenen Skripts, das auf festen genetischen Befehlssätzen basiert, sind wir Menschen lebende, atmende Rechensysteme, deren Komplexität und Leistungsfähigkeit sich über Millionen von Jahren weiterentwickelt haben.“

In der Pressemitteilung von Northwestern heißt es:

Der geometrische Code ist die Blaupause dafür, wie DNA nanoskalige Packungsdomänen bildet, die physische „Speicherknoten“ erzeugen – funktionelle Einheiten, die Transkriptionszustände speichern und stabilisieren. Im Wesentlichen ermöglicht es dem Genom, als lebendes Rechensystem zu fungieren und die Gennutzung basierend auf der Zellgeschichte anzupassen. Diese Speicherknoten sind nicht zufällig; Die Geometrie scheint über Millionen von Jahren hinweg ausgewählt worden zu sein, um den Enzymzugang zu optimieren und biologische Berechnungen direkt in die physikalische Struktur einzubetten.

Irgendwie glaube ich nicht, dass Crick und Watson das kommen sahen, geschweige denn Euklid oder John von Neumann.

Co-Autor Igal Szleifer, Christina Enroth-Cugell-Professorin für Biomedizintechnik an der McCormick School of Engineering, fügt hinzu: „Wir lernen, die Sprache zellulärer Erinnerungen zu lesen und zu schreiben. Diese ‚Speicherknoten‘ sind lebende physische Objekte, die Mikroprozessoren ähneln. Sie verfügen über präzise Regeln, die auf ihren physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften basieren und das Zellverhalten kodieren.“

„Lebende, atmende Computersysteme“? „Mikroprozessoren“? Das ist DNA-Computing auf einem neuen Niveau.

Die Studie legt nahe, dass die Evolution nicht nur durch die Entdeckung neuer DNA-Kombinationen zustande kam, sondern auch durch neue Möglichkeiten, sie zu falten und diese physischen Strukturen zur Speicherung genetischer Informationen zu nutzen. Tatsächlich ist eine der Hypothesen der Forscher, dass die Entwicklung des geometrischen Codes zur Explosion von Körpertypen beitrug, die bei der kambrischen Explosion beobachtet wurde, als sich das Leben von einfachen ein- und mehrzelligen Organismen zu einer Vielzahl von Lebensformen entwickelte.

Mitautor Kyle MacQuarrie, Assistenzprofessor für Pädiatrie an der Feinberg School of Medicine, weist darauf hin, dass es uns nicht wundern sollte, dass es so lange gedauert hat, den geometrischen Code zu erkennen: „Wir haben 70 Jahre damit verbracht, zu lernen, den genetischen Code zu lesen. Das Verständnis dieses neuen geometrischen Codes wurde erst durch jüngste Fortschritte in der weltweit einzigartigen Bildgebung, Modellierung und Computerwissenschaft möglich – die genau hier bei Northwestern entwickelt wurden.“ (Schöner zusätzlicher Stecker für Northwestern, Dr. MacQuarrie.)

Co-Autor Luay Almassalha, ebenfalls von der Feinberg School of Medicine, bemerkt: „Während der genetische Code den Wörtern in einem Wörterbuch sehr ähnelt, verwandelt der neu entdeckte ‚geometrische Code‘ Wörter in eine lebendige Sprache, die alle unsere Zellen sprechen. Die Paarung der Wörter (genetischer Code) und der Sprache (geometrischer Code) könnte die Fähigkeit ermöglichen, endlich das Zellgedächtnis zu lesen und zu schreiben.“

Ich liebe den Unterschied zwischen den Wörtern und der eigentlichen Sprache. Wir haben ein Wörterbuch benutzt und wussten nicht, dass wir einen Sprachführer brauchen.

Kürzlich habe ich von etwas namens MetaGraph gelesen und war beeindruckt davon, einem an der ETH Zürich entwickelten Tool zur Durchsuchung von DNA-Datenbanken. „Es ist eine Art Google für DNA“, sagt Professor Gunnar Rätsch, Datenwissenschaftler am Departement Informatik der ETH Zürich. Diese „DNA-Suchmaschine“ macht es viel einfacher, schneller und kostengünstiger, nach DNA-Sequenzen zu suchen und diese mit anderen Sequenzen zu vergleichen. So cool das auch ist, die Existenz des geometrischen Codes bedeutet, dass die Leute an der ETH Zürich möglicherweise etwas zusätzliche Arbeit zu erledigen haben, ebenso wie viele andere Leute, die mit DNA arbeiten.

Ich sage ungern, dass es ein ganz neues Ballspiel ist, aber es gibt auf jeden Fall einige wichtige neue Regeln.

Das Vorhandensein dieses geometrischen Codes hat Auswirkungen auf unsere Gesundheit. Es müssen nicht immer DNA-Mutationen sein, die Probleme verursachen. Unsere DNA-Strukturen können manchmal auseinanderfallen. Dr. Almassalha sagt: „Anstelle eines Puzzles aus genetischen Wörtern ermöglicht der geometrische Code den Zellen, komplizierte Gewebe wie Gehirne oder Haut aufzubauen. Mit zunehmendem Alter verliert diese Sprache jedoch ihre Treue. Dieser Verfall führt zu Neurodegeneration, Krebs oder anderen Alterskrankheiten.“

Dies eröffnet allerlei neue Möglichkeiten für die Forschung und möglicherweise auch für die Behandlung. „Der nächste Schritt besteht darin, die technischen Prinzipien des geometrischen Codes vollständig zu erlernen, damit wir dysregulierte Zellspeicher reparieren oder völlig neue erstellen können“, sagt Professor Backman. „Aktuelle Ansätze zur Alterung versuchen, Zellen auf einen werkseitigen Standardzustand zurückzusetzen. Der geometrische Code funktioniert anders. Zellerinnerungen sind physische Strukturen, die durch Erfahrung verbessert werden. Die Revitalisierung von Zellen ähnelt der Wiederherstellung der Klarheit eines beliebten Buches – das Zurückbringen der Geschichten, die unsere Zellen bereits zu erzählen wissen.“

Das ist kein CRISPR. Das ist keine mRNA. Dies ist eine neue Art, über Zellen und unser Genom nachzudenken. Dies ist ein völlig neuer Schritt in der Computerbiologie und könnte für die Medizin des 22. Jahrhunderts von grundlegender Bedeutung sein.

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Wenn Sie sich für Physik oder Kosmologie interessieren, haben Sie vielleicht schon einmal den Ausdruck „Das Universum ist Geometrie“ gehört. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie weist beispielsweise darauf hin, dass die Schwerkraft keine Kraft, sondern das Ergebnis von Verzerrungen in der Raumzeit ist. Ebenso hat die Frage, ob das Universum flach (euklidisch), positiv gekrümmt (sphärisch) oder negativ gekrümmt (hyperbolisch) ist, tiefgreifende Auswirkungen auf das Schicksal des Universums. Tatsächlich glauben einige Wissenschaftler, dass die Geometrie alles erklären kann, von den kleinsten Teilchen bis zum Universum selbst.

Daher gefällt mir der Gedanke, dass auch das Leben selbst der Geometrie viel zu verdanken hat.

Kim ist ehemalige E-Marketing-Managerin bei einem großen Blues-Plan, Herausgeberin der verstorbenen und beklagten Zeitschrift Tincture.io und jetzt regelmäßige THCB-Mitarbeiterin