DNA-Replikation und Rekombination

„Obwohl Fakten von Natur aus weniger befriedigend sind als die intellektuellen Schlussfolgerungen, die aus ihnen gezogen werden, sollte ihre Bedeutung niemals in Frage gestellt werden.“ James D. Watson, 2002.

Die DNA trägt die gesamte genetische Information des Lebens. Ein enorm langes DNA-Molekül bildet jedes der Chromosomen eines Organismus, 23 davon beim Menschen. Die grundlegende lebende Einheit ist die einzelne Zelle. Aus einer Zelle entstehen viele weitere Zellen durch serielle Wiederholungen eines Prozesses, der als Zellteilung bekannt ist. Vor jeder Teilung müssen von jedem der vielen Moleküle, aus denen die Zelle besteht, neue Kopien angefertigt werden, einschließlich der Duplikation aller DNA-Moleküle. Die DNA-Replikation ist der Name für diesen Vervielfältigungsprozess, der es ermöglicht, die genetische Information eines Organismus – seine Gene – an die beiden Tochterzellen weiterzugeben, die bei der Zellteilung entstehen. Nur wenig weniger zentral für das Leben ist ein Prozess, der dynamische DNA-Akrobatik erfordert, die so genannte homologe DNA-Rekombination, bei der die Gene auf den Chromosomen neu gemischt werden. In Reaktionen, die eng mit der DNA-Replikation verbunden sind, repariert die Rekombinationsmaschinerie auch Schäden, die an den langen, zerbrechlichen DNA-Molekülen im Inneren der Zellen unweigerlich auftreten (siehe den Artikel von Friedberg in dieser Ausgabe, Seite 436).

Das von James Watson und Francis Crick vorgeschlagene Modell der DNA-Doppelhelix1 basiert auf zwei gepaarten DNA-Strängen, die in ihrer Nukleotidsequenz komplementär sind. Das Modell hatte erstaunliche Auswirkungen auf die Prozesse der DNA-Replikation und der DNA-Rekombination. Vor 1953 gab es keine sinnvolle Möglichkeit, über die molekularen Mechanismen dieser beiden zentralen genetischen Prozesse auch nur zu spekulieren. Aber der Vorschlag, dass jedes Nukleotid in einem DNA-Strang eine enge Basenpaarung mit seinem komplementären Nukleotid auf dem anderen Strang bildet – entweder Adenin (A) mit Thymin (T) oder Guanin (G) mit Cytosin (C) – bedeutete, dass jeder Teil der Nukleotidsequenz als direkte Vorlage für den entsprechenden Teil des anderen Strangs dienen konnte. Infolgedessen kann jeder Teil der Sequenz dazu verwendet werden, seine Partnernukleotidsequenz entweder zu erzeugen oder zu erkennen – die beiden Funktionen, die für die DNA-Replikation bzw. die DNA-Rekombination von zentraler Bedeutung sind.

In diesem Überblick erörtere ich, wie die Entdeckung der DNA-Struktur vor einem halben Jahrhundert neue Wege zum Verständnis der Prozesse der DNA-Replikation und -Rekombination eröffnete. Ich werde auch hervorheben, wie sich mit dem zunehmenden Verständnis komplexer biologischer Moleküle und ihrer Wechselwirkungen im Laufe der Jahre die Art und Weise, wie Biologen die Chemie des Lebens betrachten, grundlegend geändert hat.

Strukturelle Merkmale der DNA

Die Forschung, die unmittelbar auf die Entdeckung der Doppelhelix folgte, konzentrierte sich in erster Linie auf das Verständnis der strukturellen Eigenschaften des Moleküls. Die DNA spezifiziert die RNA durch den Prozess der Gentranskription, und die RNA-Moleküle wiederum spezifizieren alle Proteine einer Zelle. Dies ist das „zentrale Dogma“ der genetischen Informationsübertragung2. Jedes Ablesen genetischer Informationen – sei es bei der DNA-Replikation oder bei der Gentranskription – erfordert den Zugriff auf die Sequenz der im Inneren der Doppelhelix vergrabenen Basen. Die Trennung der DNA-Stränge ist daher entscheidend für die Funktion der DNA. Das Watson-Crick-Modell veranlasste die Wissenschaftler dazu, nach Bedingungen zu suchen, die die Wasserstoffbrücken, die die komplementären Basenpaare verbinden, unterbrechen, um die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zu trennen.

Physikalische Chemiker fanden heraus, dass das Erhitzen einer DNA-Lösung auf Temperaturen nahe dem Siedepunkt (100 °C) oder die Einwirkung extremer pH-Werte zur Trennung der Stränge führt – eine Veränderung, die als „DNA-Denaturierung“ bezeichnet wird. Die so genannte „Schmelztemperatur“ (oder Tm) einer DNA-Sequenz hängt von ihrer Nukleotidzusammensetzung ab: DNAs mit einem größeren Anteil an G-C-Basenpaaren weisen eine höhere Tm auf, da ein G-C-Basenpaar durch drei Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird, die Watson und Crick vorhergesagt hatten, während es bei einem A-T-Basenpaar nur zwei sind. Bei physiologischen Salzkonzentrationen liegt die Tm der Säugetier-DNA bei fast 90 °C, was auf die besondere Mischung ihrer Basenpaare zurückzuführen ist (47 % G-C und 53 % A-T)3.

Anfänglich schien es unvorstellbar, dass ein DNA-Strang, nachdem er von seinem komplementären Partner getrennt wurde, wieder eine Doppelhelix bilden könnte. In einem komplexen Gemisch von DNS-Molekülen müsste dazu bei zufälligen Zusammenstößen mit anderen Sequenzen eine einzige Übereinstimmung unter Millionen von Sequenzen gefunden und dann schnell mit einem neuen Partnerstrang wieder zusammengespult werden. Die dramatische Entdeckung dieses unerwarteten Phänomens4, der so genannten „DNA-Renaturierung“, brachte Licht ins Dunkel, wie Sequenzen durch DNA-Rekombination neu angeordnet werden können. Und sie lieferte auch ein entscheidendes Mittel, mit dem die DNA im Labor manipuliert werden konnte. Die Verknüpfung komplementärer Nukleotidsequenzen, ein Prozess, der als Hybridisierung bezeichnet wird, bildet die Grundlage für mehrere DNA-Technologien, die zur Entstehung der Biotechnologieindustrie und der modernen Genomik beigetragen haben. Dazu gehören das Klonen von Genen, die Sequenzierung von Genomen und das Kopieren von DNA durch die Polymerase-Kettenreaktion (siehe Artikel von Hood und Galas auf Seite 444).

Die Anordnung der DNA-Moleküle in den Chromosomen gab den Wissenschaftlern ein weiteres Rätsel auf: Ein langes, dünnes Molekül würde sehr empfindlich auf scherungsinduzierte Brüche reagieren, und es war schwer vorstellbar, dass ein Säugetierchromosom nur ein einziges DNA-Molekül enthalten könnte. Dies würde voraussetzen, dass ein typisches Chromosom aus einer durchgehenden DNA-Helix von mehr als 100 Millionen Nukleotidpaaren besteht – ein riesiges Molekül mit einem Gewicht von mehr als 100 Milliarden Dalton und einem Abstand von mehr als 3 cm zwischen den Enden. Wie könnte ein solches Riesenmolekül in einer Zelle mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern vor versehentlicher Fragmentierung geschützt und gleichzeitig für eine effiziente Ablesung der Gene und andere genetische Funktionen organisiert werden?

Es gab keinen Präzedenzfall für solche Riesenmoleküle außerhalb der Welt der Biologie. Doch in den frühen 1960er Jahren zeigten autoradiographische Untersuchungen, dass das Chromosom des Bakteriums Escherichia coli tatsächlich ein einziges DNA-Molekül mit einer Länge von mehr als 3 Millionen Nukleotidpaaren war5. Und als mehr als ein Jahrzehnt später innovative physikalische Techniken zeigten, dass ein einziges riesiges DNA-Molekül die Grundlage für jedes Säugetierchromosom bildet6, wurde dieses Ergebnis von den Wissenschaftlern mit wenig Überraschung aufgenommen.

DNA-Replikationsgabeln

Wie wird das enorm lange doppelsträngige DNA-Molekül, das ein Chromosom bildet, genau kopiert, um bei jeder Zellteilung ein zweites identisches Chromosom herzustellen? Das 1953 von Watson und Crick vorgeschlagene Template-Modell für die DNA-Replikation (vgl. 7) wurde nach zwei Entdeckungen in den späten 1950er Jahren allgemein akzeptiert. Die eine war ein elegantes Experiment mit dichtemarkierten bakteriellen DNAs, das das vorhergesagte Template-Anti-Template-Schema bestätigte8. Die andere war die Entdeckung eines Enzyms namens DNA-Polymerase, das einen DNA-Strang als Matrize verwendet, um einen neuen komplementären Strang zu synthetisieren9. Vier Desoxyribonukleosidtriphosphat-Nukleotide – dATP, dTTP, dGTP und dCTP – sind die Vorstufen zu einem neuen DNA-Tochterstrang, wobei jedes Nukleotid durch Paarung mit seinem komplementären Nukleotid (T, A, C bzw. G) auf dem elterlichen Vorlagenstrang ausgewählt wird. Es wurde gezeigt, dass die DNA-Polymerase diese Triphosphate verwendet, um ein Nukleotid nach dem anderen an das 3′-Ende des neu synthetisierten DNA-Moleküls anzuhängen und so das Wachstum der DNA-Kette in der chemischen Richtung 5′ zu 3′ zu katalysieren.

Obwohl die Synthese kurzer Abschnitte der DNA-Sequenz auf einer einzelsträngigen Vorlage im Reagenzglas demonstriert werden konnte, war es ein Rätsel, wie ein riesiges, verdrehtes doppelsträngiges DNA-Molekül repliziert wird. In der Zelle wurde beobachtet, dass die DNA-Replikation an einer Y-förmigen Struktur, der so genannten „Replikationsgabel“, stattfindet, die sich stetig entlang einer elterlichen DNA-Helix bewegt und dabei zwei Tochter-DNA-Helices (die beiden Arme des „Y“) ausspinnt5. Wie von Watson und Crick vorhergesagt, verlaufen die beiden Stränge der Doppelhelix in entgegengesetzten chemischen Richtungen. Wenn sich eine Replikationsgabel bewegt, kann sich die DNA-Polymerase daher kontinuierlich nur entlang eines Arms des Y bewegen – des Arms, auf dem der neue Tochterstrang in der chemischen Richtung 5′ zu 3′ verlängert wird. Auf dem anderen Arm müsste der neue Tochterstrang in der entgegengesetzten chemischen Richtung von 3′ zu 5′ produziert werden (Abb. 1a). Während also die zentralen Vorhersagen von Watson und Crick am Ende des ersten Jahrzehnts der Forschung nach ihrer bahnbrechenden Entdeckung bestätigt wurden, blieben die Details des DNA-Replikationsprozesses ein Rätsel.

Rekonstruktion der Replikation

Das Rätsel wurde im Laufe der nächsten zwei Jahrzehnte gelöst, einer Zeit, in der die Proteine, die die zentralen Akteure im DNA-Replikationsprozess darstellen, identifiziert wurden. Die Wissenschaftler nutzten eine Vielzahl von experimentellen Ansätzen, um eine ständig wachsende Zahl von Genprodukten zu identifizieren, von denen man annahm, dass sie für die DNA-Replikation entscheidend sind. So wurden z. B. mutierte Organismen identifiziert, bei denen die DNA-Replikation gestört war, und mit Hilfe genetischer Techniken konnten dann spezifische Gensätze identifiziert werden, die für den Replikationsprozess erforderlich sind10,11,12. Mit Hilfe der von diesen Genen spezifizierten Proteine wurden „zellfreie“ Systeme geschaffen, in denen der Prozess mit gereinigten Komponenten in vitro nachgebildet wurde. Zunächst wurden die Proteine in einer „partiellen Replikationsreaktion“ getestet, bei der nur eine Teilmenge der für den vollständigen Replikationsprozess erforderlichen Proteinmaschinerie vorhanden war und die DNA-Vorlage in einzelsträngiger Form vorlag13. Neue Proteine, die identifiziert wurden, wurden einzeln oder in Kombination hinzugefügt, um ihre Auswirkungen auf die katalytische Aktivität der DNA-Polymerase zu testen. Weitere Fortschritte im Verständnis der Replikation hingen dann von der Schaffung komplexerer In-vitro-Systeme ab, in denen durch die Zugabe einer größeren Anzahl gereinigter Proteine schließlich doppelsträngige DNA repliziert werden konnte14,15.

Heutzutage wird fast jeder Prozess innerhalb von Zellen – von der DNA-Replikation und Rekombination bis hin zum Membranvesikeltransport – in einem aus gereinigten Komponenten rekonstruierten In-vitro-System untersucht. Solche Systeme sind zwar mühsam herzustellen, ermöglichen aber eine präzise Kontrolle sowohl der Konzentration als auch der detaillierten Struktur der einzelnen Komponenten. Darüber hinaus wird das „Rauschen“ im natürlichen System, das durch Nebenreaktionen verursacht wird – weil die meisten Moleküle in einer Zelle an mehr als einer Art von Reaktion beteiligt sind – durch die Eliminierung der Proteine, die diese anderen Reaktionen katalysieren, vermieden. Im Wesentlichen kann ein kleiner Teil der Zelle als ein begrenzter Satz chemischer Reaktionen nachgebildet werden, was eine genaue Untersuchung mit allen Werkzeugen der Physik und Chemie ermöglicht.

Bis 1980 hatten Multiprotein-In-vitro-Systeme eine detaillierte Charakterisierung der Replikationsmaschinerie ermöglicht und das Problem gelöst, wie die DNA auf beiden Seiten der Replikationsgabel synthetisiert wird (Abb. 1b). Ein Tochter-DNA-Strang wird kontinuierlich von einem DNA-Polymerase-Molekül synthetisiert, das sich entlang des „führenden Strangs“ bewegt, während ein zweites DNA-Polymerase-Molekül auf dem „nacheilenden Strang“ eine lange Reihe von Fragmenten (so genannte Okazaki-Fragmente)16 produziert, die durch das Enzym DNA-Ligase zu einem kontinuierlichen DNA-Strang zusammengefügt werden. Wie zu erwarten, gibt es Unterschiede bei den Proteinen, die für die DNA-Synthese des Vorder- und des Hinterstrangs benötigt werden (siehe Kasten 1). Bemerkenswerterweise konnte gezeigt werden, dass sich die in diesen künstlichen Systemen gebildeten Replikationsgabeln genauso schnell bewegen wie die Gabeln in den Zellen (500 bis 1.000 Nukleotide pro Sekunde), und die DNA-Vorlage wurde mit unglaublich hoher Genauigkeit kopiert15.

Da immer mehr Proteine gefunden wurden, die an der Replikationsgabel arbeiten, konnten Vergleiche zwischen den Replikationsmaschinen verschiedener Organismen angestellt werden. Untersuchungen der Replikationsmaschinerie von Viren, Bakterien und Eukaryonten ergaben, dass die Replikationsgabeln in jedem Organismus durch eine gemeinsame Reihe von Proteinaktivitäten gesteuert werden (Kasten 1). Jedes System besteht aus: einem DNA-Polymerase-Molekül mit vorauseilendem und einem mit nacheilendem Strang; einer DNA-Primase zur Herstellung der RNA-Primer, mit denen jedes Okazaki-Fragment beginnt; DNA-Einzelstrang-Bindungsproteinen, die die DNA-Vorlage umhüllen und in Position halten; einer DNA-Helikase, die die Doppelhelix abwickelt; und zusätzlichen Polymerase-Accessory-Proteinen, die die Polymerasen miteinander und mit der DNA-Vorlage verbinden. Wenn man von einem einfachen Virus zu komplexeren Organismen wie Hefen oder Säugetieren übergeht, nimmt die Zahl der Untereinheiten, aus denen die einzelnen Arten von Proteinaktivitäten bestehen, tendenziell zu. So steigt beispielsweise die Gesamtzahl der Polypeptiduntereinheiten, die den Kern des Replikationsapparats bilden, von vier bzw. sieben bei den Bakteriophagen T7 und T4 auf 13 bei dem Bakterium E. coli. In der Hefe Saccharomyces cerevisiae und in Säugetieren sind es sogar mindestens 27. Als sich also Organismen mit größeren Genomen entwickelten, fügte die Replikationsmaschinerie neue Proteinuntereinheiten hinzu, ohne dass sich die grundlegenden Mechanismen änderten15,18,19,20.

Während die von mir beschriebenen Arbeiten zur DNA-Replikation voranschritten, etablierten andere Forschergruppen In-vitro-Systeme, in denen die homologe DNA-Rekombination rekonstruiert werden konnte. Der zentrale Akteur bei diesen Reaktionen war der Proteintyp RecA17, benannt nach der bakteriellen Mutante, die bei der Rekombination defekt ist und zu seiner Entdeckung führte (Kasten 2).

Proteinmaschinen

Wie alle anderen Aspekte der Zellbiochemie hat sich auch der DNA-Replikationsapparat über Milliarden von Jahren durch „Versuch und Irrtum“ entwickelt – das heißt durch zufällige Variation, gefolgt von natürlicher Selektion. Mit der Zeit konnte ein Protein nach dem anderen zu der Mischung der an der Replikationsgabel aktiven Proteine hinzugefügt werden, vermutlich weil das neue Protein die Geschwindigkeit, Kontrolle oder Genauigkeit des gesamten Replikationsprozesses erhöhte. Darüber hinaus wurde die Struktur jedes Proteins durch Mutationen, die seine Aminosäuresequenz veränderten, feinabgestimmt, um seine Wirksamkeit zu erhöhen. Das Endergebnis dieses ungewöhnlichen technischen Prozesses sind die Replikationssysteme, die wir heute in verschiedenen Organismen beobachten. Man könnte daher annehmen, dass der Mechanismus der DNA-Replikation in hohem Maße von zufälligen Ereignissen in der Vergangenheit abhängig ist. Aber hat die Evolution das ausgewählt, was funktioniert, ohne dass es auf Eleganz ankam?

In den ersten 30 Jahren nach der Entdeckung von Watson und Crick schienen die meisten Forscher die Ansicht zu vertreten, dass Zellprozesse schlampig sein könnten. Diese Ansicht wurde durch das Wissen um die enorme Geschwindigkeit der Bewegungen auf molekularer Ebene bestärkt (man wusste zum Beispiel, dass ein typisches Protein mit einem zweiten Molekül, das in einer Konzentration von 1 mM vorliegt, etwa 106 Mal pro Sekunde zusammenstößt). Ursprünglich glaubte man, dass die schnellen molekularen Bewegungen einen Prozess wie die DNA-Replikation ermöglichen, ohne dass die beteiligten Proteine im dreidimensionalen Raum organisiert sind.

Ganz im Gegenteil erkennen die Molekularbiologen heute, dass die Evolution hoch geordnete Systeme ausgewählt hat. So werden zum Beispiel die Teile der Replikationsmaschinerie nicht nur in präzisen Ausrichtungen zusammengehalten, um ihre gegenseitigen Wechselwirkungen zu optimieren, sondern es werden auch energiegetriebene Veränderungen der Proteinkonformationen genutzt, um koordinierte Bewegungen zu erzeugen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jeder der aufeinanderfolgenden Schritte in einem komplexen Prozess wie der DNA-Replikation genau auf den nächsten abgestimmt ist. Das Ergebnis ist eine Baugruppe, die als „Proteinmaschine“ betrachtet werden kann. So bleibt beispielsweise das DNA-Polymerase-Molekül auf der nacheilenden Seite der Replikationsgabel an das DNA-Polymerase-Molekül des führenden Strangs gebunden, um sicherzustellen, dass dieselbe Polymerase des nacheilenden Strangs immer wieder für eine effiziente Synthese von Okazaki-Fragmenten verwendet wird18,20,21 (Kasten 1). Und die DNA-Replikation ist keineswegs einzigartig. Wir gehen heute davon aus, dass fast jeder biologische Prozess von einer Gruppe von zehn oder mehr räumlich positionierten, interagierenden Proteinen katalysiert wird, die in einer maschinenähnlichen Anordnung hochgradig geordnete Bewegungen ausführen22.

Proteinmaschinen bilden sich im Allgemeinen an bestimmten Stellen als Reaktion auf bestimmte Signale, und dies gilt insbesondere für Proteinmaschinen, die auf die DNA einwirken. Die Replikation, Reparatur und Rekombination der DNA-Doppelhelix werden oft als getrennte, isolierte Prozesse betrachtet. Doch innerhalb der Zelle kann ein und dasselbe DNA-Molekül jede dieser Reaktionen durchlaufen. Außerdem treten spezifische Kombinationen der drei Reaktionstypen auf. So wird beispielsweise die DNA-Rekombination häufig direkt mit der DNA-Replikation oder der DNA-Reparatur verknüpft23. Damit die Integrität eines Chromosoms ordnungsgemäß aufrechterhalten werden kann, muss jede spezifische Reaktion sorgfältig gesteuert und kontrolliert werden. Dies erfordert, dass Proteinsätze auf der DNA zusammengesetzt und nur dort und dann aktiviert werden, wo sie benötigt werden. Obwohl noch viel darüber zu lernen ist, wie diese Entscheidungen getroffen werden, scheint es, dass verschiedene Arten von DNA-Strukturen ausdrücklich von spezialisierten Proteinen erkannt werden, die als „Assembly-Faktoren“ dienen. Jeder Zusammenbaufaktor dient dann dazu, einen kooperativen Zusammenbau der Proteine in Gang zu setzen, die eine bestimmte Proteinmaschine bilden, die für die Katalyse einer Reaktion benötigt wird, die zu diesem Zeitpunkt und an diesem Ort in der Zelle angemessen ist.

Ein Blick in die Zukunft

Es ist üblich geworden, sowohl in Lehrbüchern als auch in der regulären wissenschaftlichen Literatur, molekulare Mechanismen durch einfache zweidimensionale Zeichnungen oder „Cartoons“ zu erklären. Solche Zeichnungen sind nützlich, wenn es darum geht, große Datenmengen in einem einfachen Schema zusammenzufassen, wie in dieser Übersicht dargestellt. Aber eine ganze Generation von Biologen hat sich in dem Glauben wiegen lassen, dass das Wesen eines biologischen Mechanismus erfasst und damit das gesamte Problem gelöst ist, sobald ein Forscher genug von dem Rätsel entschlüsselt hat, um eine aussagekräftige Karikatur dieser Art zeichnen zu können.

In den letzten Jahren ist überdeutlich geworden, dass von den Wissenschaftlern viel mehr verlangt wird, bevor wir behaupten können, einen Prozess wie die DNA-Replikation oder die DNA-Rekombination vollständig zu verstehen. Jüngste Projekte zur Genomsequenzierung, zur Kartierung von Proteininteraktionen und zu Studien über Zellsignale haben viel mehr Komponenten und molekulare Interaktionen aufgedeckt, als man bisher angenommen hatte. Einer neueren Analyse zufolge verwendet beispielsweise S. cerevisiae, ein „einfacher“ eukaryontischer Einzeller (der etwa 6.000 Gene hat, im Vergleich zu 30.000 beim Menschen), 88 Gene für die DNA-Replikation und 49 Gene für die DNA-Rekombination24.

Um den Mechanismus der DNA-Replikation vollständig zu verstehen, muss man dorthin zurückkehren, wo die Erforschung der DNA ihren Anfang nahm – in den Bereichen Chemie und Physik. Es werden detaillierte atomare Strukturen aller relevanten Proteine und Nukleinsäuren benötigt, und die Strukturbiologen machen dank der immer leistungsfähigeren Röntgenkristallographie und Kernspinresonanztechniken spektakuläre Fortschritte. Aber die Fähigkeit, biologische Prozesse im Reagenzglas mit Molekülen zu rekonstruieren, deren genaue Strukturen bekannt sind, reicht nicht aus. Der Replikationsprozess ist sowohl sehr schnell als auch unglaublich genau und erreicht eine endgültige Fehlerquote von etwa einem Nukleotid pro Milliarde. Um zu verstehen, wie die Reaktionen zwischen den vielen verschiedenen Proteinen und anderen Molekülen koordiniert werden, um dieses Ergebnis zu erzielen, müssen die Experimentatoren alle Geschwindigkeitskonstanten für die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten bestimmen, was heute nur selten von Molekularbiologen getan wird. Anschließend können sie mit Hilfe gentechnischer Verfahren ausgewählte Gruppen dieser Parameter verändern und die Auswirkungen dieser Veränderungen auf den Replikationsprozess sorgfältig beobachten.

Wissenschaftler werden erst dann behaupten können, dass sie einen komplexen Prozess wie die DNA-Replikation wirklich verstehen, wenn sie die Auswirkungen von Veränderungen der einzelnen Geschwindigkeitskonstanten auf die Gesamtreaktion genau vorhersagen können. Da die Bandbreite der experimentellen Manipulationen enorm ist, brauchen wir leistungsfähigere Methoden, um zu entscheiden, welche dieser Veränderungen am ehesten zu einem besseren Verständnis beitragen. Daher müssen neue Ansätze aus dem sich rasch entwickelnden Bereich der computergestützten Biologie entwickelt werden – sowohl zur Anleitung von Experimenten als auch zur Interpretation der Ergebnisse.

Das Watson-Crick-Modell der DNA hat dramatische Fortschritte in unserem molekularen Verständnis der Biologie bewirkt. Gleichzeitig führte sein enormer Erfolg zu der irreführenden Ansicht, dass viele andere komplexe Aspekte der Biologie durch aufschlussreiche theoretische Analyse und Modellbildung auf ähnliche Weise auf elegante Einfachheit reduziert werden könnten. Diese Ansicht wurde im Laufe der folgenden Jahrzehnte verdrängt, da sich die meisten biologischen Teilsysteme als viel zu komplex erwiesen haben, als dass man ihre Details vorhersagen könnte. Wir wissen heute, dass rigorose experimentelle Analysen durch nichts zu ersetzen sind. Aber die traditionelle Molekular- und Zellbiologie allein kann ein Problem wie die DNA-Replikation nicht lösen. Es werden neuartige Ansätze erforderlich sein, die nicht nur neue Berechnungswerkzeuge, sondern auch eine stärkere Integration von Chemie und Physik beinhalten20,25. Aus diesem Grund müssen wir dringend die Ausbildung der nächsten Generation von Biowissenschaftlern überdenken22,26.