nach oben Ort d. Erbinformation DNA oder Proteine? Aufbau der DNA Proteinbiosynthese Chromatographie Sichelzellanämie Mutationen Modifikationen Ein-Gen-ein-Enzym Gentechnologie Mitose Ident. Replikation Karyogramm Meiose Down-Syndrom

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Gentechnologie

bulletGrundlegende gentechnische Verfahren
bulletGentechnische Verfahren in der Pflanzenzüchtung und Lebensmittelherstellung 
bulletDas Human Genom Projekt (externer Link)

 

Grundlegende gentechnische Verfahren

Wir stellten uns am Anfang der Stunde die Frage: Was ist überhaupt Gentechnologie?

Gentechnologie, auch Gentechnik genannt, ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren und in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren [aktivieren] (z. B. Klonierung und Expression des Insulingens in E. coli). Expression ist die Biosynthese eines Genproduktes (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein. Klonierung ist eine Erzeugung genetisch identischer Zellen durch Zellteilung.

Quelle: Biologie für Gymnasien Band 3 - Natura, Ernst Klett Verlag - 2001, 2. Auflage

Ein Beispiel für Gentechnologie:

Herstellung von Humaninsulin mit Hilfe gentechnisch veränderter Bakterien, E. coli (Escherichia coli, ein Darmbakterium). Insulin ist ein Hormon, das von der Bauchspeicheldrüse (Langerhanssche Inseln) zur Regulierung des Zuckerhaushalts im Körper gebildet wird.
Wir haben eine menschliche Zelle und ein Bakterium. Die menschliche Zelle besitzt einen Zellkern, das Bakterium wiederum nicht. Das Bakterium enthält neben der DNA im sogenannten Bakterienchromosom auch kleine Ringmoleküle, Plasmide, die ebenfalls DNA enthalten. Ein Plasmid enthält u. a. ein Gen für Ampicillinresistenz (AMP^R) und ein Gen für Tetracyclinresistenz (TET^R). Das Plasmid soll sich mit dem menschlichen DNA-Stück verbinden, welches die Information für die Insulinbildung enthält. Bei der menschlichen DNA wird nur das Gen herausgeschnitten, das zur Produktion von Insulin beiträgt. Wenn dies geschehen ist, wird ein geeignetes Restriktionsenzym (Ecor I) jeweils beide DNA-Moleküle auseinander schneiden. Ein Beispiel: Bei der menschlichen DNA und der Plasmid-DNA findet die Zerschneidung zwischen den Basen 5' GA 3' statt.

 

Beim Plasmid wird die Tetracyclinresistenz zerschnitten. Die Basenabfolge ist in sich symmetrisch. Restriktionsenzyme sind Enzyme, die auf der DNA eine kurze, definierte Nukleotidabfolge erkennen und die DNA dort oder in der Nähe spalten. Je nach Restriktionsenzym entstehen dabei überstehende Enden oder glatte Enden. Die Plasmid-DNA hat die Funktion eines Vektors und die menschliche DNA hat die Funktion eines Passagiers. Vektoren (Plasmid, Phage oder Virus) sind wichtige Werkzeuge der Gentechnik zum Klonieren rekombinanter DNA. Nach der Spaltung werden die Moleküle aufgeklappt und wir sehen DNA-Bruchstücke, die „sticky-ends" (klebrige Enden). Klebrige Enden sind ungleiche Enden eines DNA-Moleküls. Sie können an ein komplementäres, klebriges Ende eines anderen DNA-Moleküls anlagern und so zwei Moleküle verbinden. Die DNA-Bruchstücke von der menschlichen Zelle werden durch ein Ligase-Enzym mit den „sticky-ends" des Plasmids verbunden. Die sticky-ends der DNA werden, wenn überhaupt, in das zerstörte Tetracyclinresistenzgen eingebaut. Nach diesem Vorgang haben wir 2 unterschiedliche Plasmidringe (1. Plasmid unverändert, 2. Plasmid mit Humaninsulingen) sowie nicht in ein Plasmid  eingebundenes Humaninsulingen vorliegen. Die Aufteilung passiert nach dem Zufallsprinzip. Man muss nun versuchen die Plasmide mit Humaninsulingen zu identifizieren (s. Screening
Als nächster Schritt werden die Plasmidringe durch Transformation oder Transfektion in die plasmidfreien E. coli Bakterien übertragen. Transformation hat eine schlechte Ausbeute, d.h., bei den Bakterien wird nur etwa jede 1O5te bis  1O6te Zelle transformiert. Eine höhere Ausbeute ist  bei der Transfektion gegeben. Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. Transfektion ist die Bezeichnung von Verfahren zum Einschleusen fremder DNA in Zellen. 
Der letzte Schritt ist das Screening (identifizieren). Bei diesem Vorgang werden alle E. coli auf einen Nährboden mit Ampicillin und einem Nährboden mit Tetracyclin gegeben. Dieses Verfahren ermöglicht die Ermittlung der Plasmide, die Humaninsulin in sich tragen. Beobachtung: a) Nährboden mit Ampicillin: Das umgebaute Plasmid sowie das Originalplasmid sterben nicht ab, da sie beide das Gen für Ampicillinresistenz enthalten. Die Spender-DNA (Humaninsulingen) vermehrt sich nicht. b) Nährboden mit Tetracyclin:  Die Spender-DNA (Humaninsulingen) vermehrt sich nicht. Das Originalplasmid stirbt nicht ab, da es die Gene für Ampicillinresistenz und Tetracyclinresistenz enthält. Das umgebaute Plasmid stirbt hier ab, da das Gen für Tetracyclinresistenz durch das Einfügen des Gens für Humaninsulin zerschlagen wurde und deshalb nicht mehr funktionstüchtig ist. Ergebnis: Die Bakterien, die auf dem Nährboden mit Tetracyclin absterben, aber auf dem Nährboden mit Ampicillin überleben, enthalten das gesuchte Plasmid mit dem Humaninsulin. Da man zuvor genügend Kopien hergestellt hat, kann man jetzt die Bakterien mit dem gewünschten Gen weitervermehren.

 

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Kerstin M., 27.11.00, M. W.

 


Gentechnische Verfahren in der Pflanzenzüchtung und Lebensmittelherstellung 

Das Thema BSE hat aktuell die Diskussion um gentechnisch veränderte Lebensmittel etwas in den Hintergrund gedrängt. Aber die Themen BSE und Genfood hängen durchaus zusammen. Denn aufgrund der BSE-Problematik kam es in der EU zum Tiermehlverfütterungsverbot; es fehlen ca. 210.000 t Eiweiß pro Jahr in Deutschland in den Futtertrögen der Nutztiere. Diese Lücke kann kurzfristig nur mit Importen aus den USA, wo die Sojasilos gut gefüllt sind, ausgeglichen werden. In den USA wird konventionell angebaute Soja nicht von gentechnisch veränderter getrennt und so wird vermutlich massenhaft Gen-Soja auch in der EU in die Nahrungskette gelangen. Bereits heutzutage befinden sich nach einer Untersuchung der Stiftung Warentest in Lebensmitteln ohne besondere Kennzeichnung gentechnisch veränderte Mais- und Sojaprodukte (s. www.transgen.de ) u. a. in fleischlosen Brotaufstrichen und sogenannter vegetarischer Jagdwurst. Wer also wegen BSE auf das Fleisch verzichtet, der nimmt dafür Gen-Soja zu sich.

Um die Chancen und Risiken gentechnischer Verfahren im Zusammenhang mit Pflanzenzüchtung und Lebensmittelherstellung besser einschätzen zu können, sollen zunächst die wesentlichen Methoden kurz vorgestellt werden.

 
Abb. 1 Pflanzen in Laborkultur
Viele Pflanzenarten ermöglichen die Aufzucht aus einer einzigen Körperzelle, so z. B. Spargel, Kohl, Zitrusfrüchte, Sonnenblume, Luzerne, Hirse, Tomate, Kartoffel, Tabak und Soja. Dadurch sind sie sehr geeignet gentechnisch verändert zu werden.

 

Übertragung des gewünschten Gens mit Hilfe des Plasmids aus Agrobacterium tumefaciens:

Die obige gentechnische Methode mit Hilfe des Ti-Plasmids Gene zu übertragen funktioniert nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen, nicht jedoch bei einkeimblättrigen wie Gräser, Weizen und Mais. Hier verwendet man in erster Linie die DNA-Kanone. Hierbei werden winzige Metallkügelchen mit DNA beschichtet und in die Zellen geschossen.

 

 

Für gentechnische Verfahren eignen sich vor allen Merkmale besonders gut, die nur durch ein einzelnes Gen kontrolliert werden. Zum Beispiel konnte man relativ schnell das Gen, welches für die Reifung der Tomate wichtig ist, durch ein zweites zum Original komplementäres Gen weitgehend blockieren, sodass längere Lagerzeiten möglich wurden. Die Anwendung wurde ein wirtschaftlicher Fehlschlag, da die Tomaten geschmacklich alterten und fade wurden. In erster Linie werden die folgenden Ziele durch den Einsatz gentechnischer Verfahren in der Pflanzenzüchtung verfolgt.

bulletResistenz gegen best. Krankheitserreger und Schadinsekten, z. B. bei Mais und Soja;
bulletResistenz gegen Herbizide;
bullethöhere Erträge durch verbessertes Wachstum;
bulletLebensmittel mit gesundheitsfördernder Wirkung, z. B. Reis mit Vitamin A;
bulletGendiagnostik, z. B. Nachweis für Herbizidresistenz durch genetischen Fingerabdruck, 
ein Auswachsen der Pflanze ist nicht mehr notwendig;
bulletPflanzen können zur Produktion von best. Enzymen oder Rohstoffen verwendet werden,
z. B. für das Labferment Chymosin (Käseherstellung), welches bisher aus Kälbermägen 
gewonnen wurde und nun von Hefe produziert wird.

Diesen Zielen und Vorteilen stehen allerdings auch nicht unerhebliche Risiken gegenüber. Ein Risiko besteht darin, dass durch gentechnische Veränderungen von Nahrungsmitteln neue Proteine entstehen, die Allergien auslösen könnten; sollte sich z. B. Gen-Soja eine allergene Substanz befinden, dann müsste der betroffene aus sehr viele verschienene Nahrungsmittel verzichten, die Produkte aus Gen-Soja enthalten. Gentechnisch veränderter Reis, der Vitamin A selbst produziert, enthält eventuell best. noch unbekannte Zwischenprodukte, die bei der Vitamin A Synthese auftreten. 
Bei herbizidresistenten Pflanzen kann später (erntenäher) als normalerweise und auch mit höheren Dosen mit dem Herbizid gespritzt werden, was das Rückstandsrisiko erhöht; die Pflanzen vertragen das Gift, aber sie entgiften es nicht unbedingt in jedem Fall.
Zur Herstellung schädlingsresistenter Sorten wird ein Gen aus Bacillus thuringiensis verwendet, z. B. bei Mais (BT-Mais), Baumwolle, Tomaten und Blumenkohl. Der Giftstoff wird von den Pflanzen produziert und die Substanz wird über die Nahrungskette von Menschen und Tieren aufgenommen; kurzfristig ohne gesundheitliche Schäden, aber wie sich solche Stoffe im Organismus langfristig auswirken ist noch nicht untersucht worden. 
Neben gesundheitlichen Risiken bestehen auch ökologische Bedenken gegen die Aussaat gentechnisch veränderten Saatguts. Resistente Pflanzen könnten in die normale Umwelt entkommen und aufgrund ihres Selektionsvorteils die dort heimischen Pflanzen verdrängen. Auch ist der Transfer der neuerworbenen Gene an nahe verwandte Wildarten denkbar und somit die Gefahr von Superpflanzen, die nur noch schwer zu kontrollieren sind, da sie Gene gegen Herbizide, natürliche Krankheiten und Insektenbefall besäßen. Unsere Kulturpflanzen könnten zu Unkräutern werden. Das ökologische Gleichgewicht würde erheblich gestört werden.

Trotz aller Bedenken muss jedoch auch klar sein, dass allein mit ökologischem Landbau zu wenig Erträge für die Ernährung der Weltbevölkerung erzielt werden würden. Die Anbauflächen werden z. B. durch Verkarstung immer kleiner, die Weltbevölkerung nimmt immer stärker zu. Wenn wir weniger Pestizide, höhere Erträge, gesündere, inhaltsreichere Nahrungsmittel wollen, dann geht dies vielleicht gar nicht mehr ohne gentechnisch veränderte Nutzpflanzen. In den USA erfolgt bereits keine Sicherheitsprüfung mehr, falls sich das Ergebnis einer gentechnischen Veränderung nicht signifikant von einem bereits auf dem Markt befindlichem Produkt unterscheidet, in der EU gelten - noch- wesentlich strengere Regelungen, u. a. da  hier der Widerstand der Verbraucher wesentlich größer ist als in den USA.

Quellen: 
Campbell, N. A.1997: Biologie - Spektrum Verlag;
Bundesministerium für Bildung und Forschung 2000: Science live - Perspektiven moderner Biotechnologie und Gentechnik;
TRANSGEN | Transparenz für Gentechnik bei Lebensmitteln

M. Weber, 03.03.01

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