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Die Fähigkeit zur Replikation ist ein wesentliches Merkmal aller Lebewesen. Organismen können sich selbst und ihre Zellen vervielfältigen, während DNA, RNA und Proteine durch Prozesse hergestellt werden, die molekulare Vorlagen kopieren. Das Kopieren von DNA benötigt Energie, wodurch das System aus dem Gleichgewicht gerät und Energie verloren geht.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme (MPIPKS) und des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) haben nun neue Erkenntnisse zu den physikalischen Bedingungen gewonnen, die für einen präzisen Kopiervorgang erfüllt sein müssen. „Unsere Theorie berücksichtigt sowohl den energiegetriebenen Prozess, bei dem vorlagenbasierte Kopien erstellt werden, als auch die natürliche, spontane Anordnung von Molekülen sowie die Umkehrung dieser Prozesse“, erklärt Arthur Genthon, der Erstautor der gemeinsam mit Frank Jülicher (beide MPIPKS) sowie Carl Modes und Stephan Grill (beide MPI-CBG) durchgeführten Studie. Das Forschungsteam verwendete dabei einen minimalen Ansatz, der auf einstufigen Prozessen basiert, bei denen komplexe molekulare Details im Durchschnitt berücksichtigt werden, um sich auf die Kernprinzipien des Kopierens zu konzentrieren.

Damit konnten die Forschenden die thermodynamischen Kosten bestimmen, die für eine präzise Replikation notwendig sind. Die Arbeit offenbart einen Trade-off zwischen Kosten und Genauigkeit: Die Verwendung einer größeren Anzahl von Bausteinen (Monomeren) verbraucht zwar weniger Energie, führt aber zu einer geringeren Kopiergenauigkeit. Auch wenn dieses Modell sich an der DNA orientiert, kann es auf jedes beliebige Informationsübertragungssystem angewendet werden, wie beispielsweise die Translation von RNA zu Protein.