Gentechnologie
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.
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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.
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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.
Kerstin M., 27.11.00, M. W.
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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.
 | Resistenz gegen best. Krankheitserreger und Schadinsekten, z. B. bei
Mais und Soja; |
| Resistenz gegen Herbizide; |
| höhere Erträge durch verbessertes Wachstum; |
| Lebensmittel mit gesundheitsfördernder Wirkung, z. B. Reis mit
Vitamin A; |
| Gendiagnostik, z. B. Nachweis für Herbizidresistenz durch genetischen
Fingerabdruck,
ein Auswachsen der Pflanze ist nicht mehr notwendig; |
| Pflanzen 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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