Will man über die Meilensteine in der Molekularbiologie berichten, kommt man nicht umher, den Biochemiker Erwin Chargaff und dessen Entdeckungen über das Verhältnis der Basen-Zusammensetzung in der DNA zu erwähnen. Er selbst wäre wahrscheinlich nicht so glücklich darüber gewesen, mit Molekularbiologen und -biologinnen in Verbindung gebracht zu werden. So soll er diese mehrmals für ihren Anspruch, alles erklären zu wollen, kritisiert haben (siehe Chargaff E (1978) & Chargaff E (1987)). Erwin Chargaff ließ sich vielmehr von dem Mediziner Oswald T. Avery inspirieren, der zeigen konnte, dass es sich bei dem Stoff, welcher die Erbinformationen speichert, um die DNA handelt. Er stellte die These auf, dass das Erbmaterial (die DNA) in einer bestimmten Art und Weise für jedes Individuum einzigartig sein müsste, während sie gleichzeitig in jedem Menschen auch gleiche Strukturen aufweist. Dieser - zu seiner Zeit unbekannten Spezifität der DNA – wollte Chargaff auf den Grund gehen. Es war damals bereits bekannt, dass die DNA aus drei miteinander verbundenen Arten von Molekülen aufgebaut war, nämlich Zucker (Desoxyribonukleinsäure), Phosphat und den vier Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Aufgrund ihrer chemisch verwandten Struktur werden Adenin und Guanin zu der Gruppe der Purine gezählt, wohingegen Thymin und Cytosin zu den Pyrimidinen gehören.
Chargaff adaptierte für seine Versuche die Methode der Papier-Chromatographie, welche bereits häufiger zum Einsatz kam, wenn es darum ging herauszufinden, aus welchen Aminosäuren ein Protein aufgebaut ist. Ziel der Papier-Chromatographie ist es, einzelne Stoffe aus einem Gemisch voneinander zu trennen. Nimmt man z.B. grüne Wasserfarbe und tropft diese auf einen Papierstreifen, sieht man erst einen grünen Punkt. Wird dieser Papierstreifen mit dem grünen Punkt nun in ein Glas mit Wasser gehalten, sodass nur der untere Rand des Papiers das Wasser berührt, saugt sich das Papier mithilfe der Kapillarkraft von unten nach oben mit Wasser voll. Das Wasser nimmt dabei den aufgetragenen Stoff (die grüne Farbe) mit nach oben. Nach wenigen Minuten verblasst der grüne Farbfleck und es bilden sich am oberen Rand des Papieres zwei neue: ein blauer und ein gelber Farbfleck. Daraus kann man schließen, dass der verwendete grüne Farbstoff aus mindestens zwei Stoffen zusammengesetzt ist. Der eine hat eine blaue Farbe und der andere eine gelbe. Deren Auftrennung ist nur möglich, da die beiden Stoffe unterschiedliche chemische Eigenschaften haben und dadurch auf unterschiedliche Weise mit dem Wasser interagieren. Aus dieser Wechselwirkung zwischen Substanz (blauer und gelber Farbstoff) und Lösemittel (Wasser) ergibt sich eine substanzspezifische Wanderungsgeschwindigkeit. Gleiches Experiment kann mit einem Extrakt aus Pflanzenblättern mit einer Mischung aus Aceton und Petrolether als Lösemittel wiederholt werden. So kann man zeigen, dass sich die grüne Farbe der Blätter aus einer Reihe verschiedener Farbstoffe zusammensetzt: Chlorophyll a & b sowie weitere Stoffe, die als Karotenoide zusammengefasst werden.
Die Arbeitsgruppe um Erwin Chargaff verwendete die gleiche Methode, um so die Bestandteile der DNA der Hefe (wissenschaftlich Saccharomyces cerevisiae genannt) sowie des Bakterium Mycobacterium tuberculosis aufzutrennen. Da die Bestandteile der DNA jedoch farblos sind, mussten diese nach der Auftrennung erst mit Hilfe von UV-Licht für das menschliche Auge sichtbar gemacht werden, indem man das Papier nach dem Experiment vor eine UV-Lampe hält. Die Basen (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin) absorbieren dabei die UV-Strahlung – d.h. dass sie die UV-Strahlung im Gegensatz zu dem Papier aufnehmen – und erscheinen dadurch als graue Flächen. Eine anschließende Messung der Mengen ergab, dass die zwei Basen Adenin und Thymin in allen untersuchten Organismen (Hefe und Mycobacterium tuberculosis) in gleicher Anzahl vorkamen. Identisches entdeckte man für das Verhältnis zwischen Guanin und Cytosin (1:1) (Regel Nr. 1).
Darüber hinaus fanden Chargaff und seine Arbeitsgruppe, dass sich das Verhältnis Adenins und Thymins zu Guanin und Cytosin zwischen den beiden untersuchten Arten von Organismus zu Organismus unterscheidet. Daraus wurde geschlussfolgert, dass der relative Anteil dieser Verhältnisse in jedem Organismus anders und möglicherweise spezifisch ist (Regel Nr. 2).
Im Allgemeinen kann man aus diesen Ergebnissen vermuten, dass Adenin und Thymin wahrscheinlich in der DNA von jedem Menschen, Tier, Bakterium, in jeder Pflanze etc. unterschiedlich oft, aber immer im Verhältnis 1:1 vorkommen. Für die Basen Guanin und Thymin gilt entsprechend das gleiche.
Der heutige Wissensstand über die molekulare Struktur der DNA, für welche die Erkenntnisse Erwin Chargaffs eine bedeutende Rolle spielen, kennt den Grund für diese Verhältnisse: Die DNA besteht aus zwei Stränden, die über die Basen miteinander verbunden sind. Hat der eine Strang an einer spezifischen Stelle z.B. die Base Adenin, kann sich auf dem gegenüberliegenden Strang nur die Base Thymin befinden, da nur ein solches Basen-Paar miteinander kompatibel ist. An einer Stelle, an der sich die Base Guanin befindet, muss entsprechend die Base Cytosin auf dem anderen Strang an derselben Stelle sein. Daraus resultiert zwangsläufig, dass das Verhältnis zwischen Adenin zu Thymin sowie das Verhältnis Guanin zu Cytosin immer 1:1 ist.
Autor: SV
Literatur
Vischer E & Chargaff E (1949) The separation and quantitative estimation of purines and pysimidines in minute amounts. J Biol Chem, vol. 176, no. 2, pp. 703-714.
Vischer E, Zamenhoff S, Chargaff E (1949) The desoxypentose nucleic acids of Avian Tubercle Bacilli and Yeast. J Biol Chem, vol. 177, no. 1, pp. 429-438.
Chargaff E, Zamerhof S, Creen C (1950) Composition of human desoxypentose nucleic acid. Nature. 165 (4202) 756-7.
Chargaff E (1978) Heraclitean Fire: Sketches from a Life Before Nature. Rockefeller University Press.
Chargaff E (1987) Engineering a molecular nightmare. Nature, vol. 327, no. 6119, pp. 199-200.