So klingt DNA: Wie Musik den genetischen Code knacken kann

Seit einigen Jahren beschäftige ich mich in meinen Forschungen mit Molekularbiologie. Außerdem interessiere ich mich für Musik und habe mit den Hummingbirds, einer Pop-Band aus Sydney, gespielt. Normalerweise ist die Schnittmenge zwischen diesen beiden Interessen nicht besonders groß. Aber kürzlich habe ich erfahren, dass man mit der DNA sogar Musik machen kann.
Dieses Phänomen nennt man Sonifikation. Hier werden DNA-Sequenzen wie zufällige Muster genutzt, um harmonische Musik zu komponieren. Aber was geschieht, wenn wir die Töne benutzen würden, etwas Nützliches über DNA-Sequenzen herauszufinden – beispielsweise bei Mutationen?

Ich habe daher meine Programmierkenntnisse genutzt und ein Werkzeug entwickelt, mit der DNA-Sequenzen in Audio-Streams konvertiert werden können. Die Ergebnisse wurden vor Kurzem in dem Magazin BMC Bioinformatics veröffentlicht.

Den Unterschied hören

Die DNA dient in unserem Körper als Vorlage für die Herstellung von Proteinen. Eine DNA-Sequenz ist eine lange, ununterbrochene Kette, die aus vier chemischen Basen besteht, die G, A, T oder C genannt werden. Diese wiederholen sich in vielen bestimmten Mustern, die dann ein Gen ausmachen. Viele Gene haben identische Sequenzen innerhalb einer Spezies; also gleichen sich diese von Person zu Person oder von Virus zu Virus.

Manchmal allerdings unterscheidet sich eine der chemischen Basen in einer Sequenz von dem üblichen Muster – eine Mutation entsteht. Diese kann auf einen Fehler, der der betroffenen Person oder dem betroffenem Mikroorganismus Probleme bereiten könnte, hinweisen. In meinem Online-Audio-Programm verursachen Veränderungen in einer sich wiederholenden DNA-Sequenz sehr auffällige Veränderungen des Klangs.

Um einen Eindruck davon zu vermitteln, habe ich hier eine künstliche DNA-Testsequenz in meinem Online-Audio-Programm vorbereitet, das aus einer Reihe von G-Sequenzen besteht:

Zum Vergleich eine DNA-Sequenz mit einer Mutation:

Die natürliche DNA-Sequenz verdeutlicht eine Veränderung des sich wiederholenden Klangs mit einem ungefähren Wert von 0,13. Hier findet eine subtile Veränderung (eine Mutation) der Sequenz statt:

 

Die Codone verschlüsseln

Im wirklichen Leben sind DNA-Abfolgen natürlich komplexer als das. Zunächst beinhalten echte DNA-Abfolgen Codone. Ein Codon ist eine Abfolge von drei Basen, die zu einer Gruppe von DNA-Information zusammengefasst werden. Ein Codon lenkt eine Baueinheit in einem Protein, auch unter dem Namen “Aminosäure” bekannt. In der Natur zeigen spezielle Codone die Start- und Endpunkte von Genen an. In meinem Ansatz werden diese Codone dazu verwendet, die Audiodatei zu starten und zu beenden.

Es ist nicht beabsichtigt, dass man einen Ton hören und sie einem bestimmten Codon zuordnen kann, auch wenn die Umgebung der Audiodatei charakteristisch für die zugrundeliegende Sequenz ist (wie man in den Beispielen hören kann).

Wie klingt es also, wenn man mein Sonifikationssystem auf ein echtes Stück DNA anwendet, das ein Protein ausmacht? Man nehme beispielsweise eine menschliche DNA-Abfolge, die ein Protein verschlüsselt (für die Experten unter den Lesern handelt es sich dabei um das RAS-Protein, das teilweise für eine Krebserkrankung verantwortlich ist). So würde es in der traditionellen geschriebenen Form aussehen:

Image The sound of DNA by Mark Temple via The Conversation
Eine Menschliche RAS-Seqzenz. DNASonification/Mark Temple

Und so klingt es in meinem Online-Audio-Programm:

In der obigen Kodierungssequenz spielt immer ein Instrument (dasjenige, das tatsächlich das Protein verschlüsselt). Als ich einige Sequenzen “sonifiziert” habe, die wichtige RNA-Bestandteile von Zellen (keine Proteine) entschlüsseln, sind zum Teil nur Abschnitte zu hören, in denen man nichts hört. Oft sind hier Klopfgeräusche zu hören, die anzeigen, an welcher Stelle ein Codon entdet:

Normalerweise vertrauen wir Wissenschaftler stark auf die optische Kontrolle der DNA-Abfolgen, um ihre Geheimnisse zu entschlüsseln. Die Sonifikation allein ist nicht dafür gedacht, die optische Kontrolle zu ersetzen, sondern eher, um sie zu erweitern, genau wie Farben genutzt werden, um die Eigenschaften von DNA-Abfolgen hervorzuheben.

Neben der Genauigkeit der DNA-Forschung gibt es ein starkes Interesse innerhalb der Gesellschaft, besser zu verstehen, wie DNA-Abfolgen unsere physische Gestalt festlegen und Mutationen, die sich in unserer DNA ansammeln, unsere Gesundheit auf lange Sicht beeinflussen. Es ist zu hoffen, dass das Anhören von DNA-Audiodateien der Forschung dabei hilft, besser zu verstehen, wie Zellbiologie funktioniert.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „dna-1811955“ by qimono (CC0 Public Domain)


The Conversation

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Mark Temple

Mark Temple

ist Dozent an der Western Sydney University und Dozent für Molekularbiologie und Gesundheitswissenschaften.

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