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[Bearbeiten] Stichworte
(hier sollen mal Stichworte zum Kapitel stehen)
Inhaltsverzeichnis |
Wir haben gesehen, wie die genetische Information von Lebewesen von einer Generation an die nächste weitergereicht, vermischt und verändert wird. Veränderungen treten dabei nicht zielgerichtet, sondern zufällig auf. Im nächsten Kapitel werden wir sehen, dass auch eine solche Strategie, genügend Zeit und Organismen vorausgesetzt, Erfolg haben kann – die Evolution.
Die für einen solchen Vorgang Zeiträume und Rohstoffe überschreiten jedoch häufig eine praktikable Nutzung durch den Menschen. Es ist kaum realistisch, auf die Optimierung von Nutzpflanzen und -tieren zu warten. Auch entwickelt die Evolution Verbesserungen stets für die Spezies selbst, die nicht notwendiger Weise den menschlichen Anforderungen entsprechen. Der Versuch des Menschen, die Erbinformation von Lebewesen gezielt seinen Bedürfnissen anzupassen, nennt man Gentechnologie oder Gentechnik.
[Bearbeiten] Überblick
Als entfernter Vorläufer der Gentechnik kann die Züchtung von Tieren und Pflanzen gesehen werden. Dabei wurde die genetische Information nicht direkt verändert, aber es wurden Individuen mit für den Menschen günstigen Eigenschaften ausgewählt und untereinander gekreuzt. Dabei wurde mit dem bevorzugten Phänotyp automatisch der zu Grunde liegende Genotyp, verglichen mit einer nicht gezüchteten Population, überproportional vermehrt. Die Herstellung des Genotyps wurde also noch der Natur überlassen, die Auswahl jedoch traf bereits der Mensch. Ein Beispiel hierfür ist der Mais, der im Gebiet des heutigen Mexiko über Jahrtausende hinweg aus einem unscheinbaren Kraut zur heutigen Form gezüchtet wurde.
Heute wird auch die Herstellung des Genotyps von menschlicher Technik übernommen, was viele Generationen der Kreuzung erspart und präzisere Ergebnisse liefert oder überhaupt erst ermöglicht. Gentechnik erlaubt dabei nicht nur die Optimierung bestimmter Eigenschaften eines oder mehrerer Gene eines Organismus, sondern auch den so genannten horizontalen Gentransfer, also die Übertragung eines Gens einer Spezies in eine andere.
[Bearbeiten] Anwendungen
Gentechnik wird für viele verschiedene Zwecke eingesetzt. Neben Forschung und Medizin gibt es auch industrielle Anwendungen, die häufig nach "Farben", der Art der verwendeten Organismen, klassifiziert werden.
[Bearbeiten] Weiße Gentechnik
Graue oder weiße Gentechnik meint Gentechnik in Einzeller, meist Bakterien oder Pilzen, die im Labor oder in industriellen Fermentern wachsen. Ziel der weißen Gentechnik ist meist die Herstellung eines bestimmten Stoffes, der mit "klassischer" Chemie nicht oder nur unter hohem Aufwand, nur in kleinen Mengen oder nur in Gemischen mit unerwünschten Substanzen herzustellen ist. Beispiele dafür sind
- Aminosäuren (Weltproduktion 2004 : über zwei Millionen Tonnen jährlich, Gesamtwert über 4 Milliarden Euro, Tendenz steigend)
- Antibiotika (z. B. Penicillin)
- körpereigene Stoffe, z. B. Hormone (Insulin)
- Lebensmittel, wie Zitronensäure
[Bearbeiten] Grüne Gentechnik
Als grüne Gentechnik bezeichnet man gentechnische Veränderungen von Pflanzen. Ziele der grünen Gentechnik sind
- Ertragssteigerung von Nutzpflanzen
- Resistenzen der Pflanze gegen Insekten, Bakterien, Pilze und Viren
- Toleranz gegenüber "klassischen" Insektiziden oder Fungiziden
- Toleranz gegenüber Umwelteinflüssen wie Trockenheit oder nährstoffarmen Böden
- Produktion bestimmter neuer Stoffe
Um beim Beispiel Mais zu bleiben: Eine gentechnisch veränderte Variante des Mais, der so genannte bt-Mais, enthält ein Gen, das aus dem im Boden lebenden Bakterium Bacillus thurgeniensis stammt und Insektenbefall verhindert.
In Europa von der Öffentlichkeit mit Skepsis betrachtet, hat die grüne Gentechnik in Nord- und Südamerika und Asien bereits weite Verbreitung gefunden. So stammen, je nach Quelle, schätzungsweise bis zu 95% der weltweiten Sojaproduktion von gentechnisch veränderten Sojapflanzen.
Grüne Gentechnik ist die wohl mit am kontroversesten diskutierte Form der Gentechnik. Gentechnisch veränderte Pflanzen könnten, so Gentechnik-Gegner, Allergien gegen ihre Produkte auslösen, die genetische Vielfalt der Pflanze in freier Wildbahn reduzieren, und andere Organismen, wie z. B. Nutzinsekten, bedrohen. Obwohl solche, durch die Boulevardpresse oft stark aufgebauschte, Szenarien bislang ausgeblieben sind, ist selbstverständlich äußerste Sorgfalt bei der Herstellung und Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen angebracht. Daher wird heute zunehmend nicht mehr die DNA der Pflanzenzellen selbst, sondern die der Chloroplasten verändert. Da Chloroplasten nur in den (grünen) Blättern vorkommen, wird ihre DNA nicht über Pollen weitergegeben. Außerdem werden Chloroplasten-Produkte nur in Blättern exprimiert, nicht aber in den (für Nahrungsmittel verwendeten) Fruchtkörper, z. B. Ähren.
[Bearbeiten] Rote Gentechnik
Rote Gentechnik bezeichnet die Anwendung der Gentechnik im medizinischen Sektor. Dies umfasst sowohl die gentechnische Herstellung von Medikamenten (siehe auch weiße Gentechnik), als auch Diagnose- und Therapieverfahren. Auch der so genannte genetische Fingerabdruck und die als Vaterschaftstest bekannte, DNA-basierte phylogenetische Untersuchung fallen in diesen Bereich.
Unter diagnostischen Verfahren ist nicht nur die Untersuchung der Chromosomen im Fruchtwasser zu sehen, sondern auch zunehmend die Sequenzanalyse der individuellen DNA nach bekannten "Krankheits-Genen". Dabei führt die Anwesenheit eines solchen Gens oder Allels nicht notwendigerweise zur Erkrankung, sondern kann auch "nur" das Risiko einer bestimmten Erkrankung (z. B. Krebs) erhöhen. Andererseits kann z. B. die Huntington-Erkrankung nicht nur eindeutig über genetische Analysen vorhergesagt werden; sogar das Alter, in dem die Krankheit bei einem Patienten ausbrechen wird, kann dabei recht präzise bestimmt werden.
Ein weiteres diagnostisches Verfahren ist die genetische Analyse von Krankheitserregern im Blut eines Patienten. Dabei wird nach bekannten DNA-Sequenzbereichen gesucht. Ihr Vorhandensein weist auf den jeweiligen Krankheitserreger hin. Dieses Verfahren ist entscheidend schneller als die langwierige und fehleranfällige Vermehrung potentieller Krankheitserreger aus einer Blutprobe im Labor.
Unter den therapeutischen Anwendungen der Gentechnik in der Medizin ist die Gentherapie bekannt. Dabei soll ein fehlerhaftes Gen im Körper ersetzt bzw. ein fehlendes Gen eingefügt werden. Dabei kommen so genannte Vektoren zum Einsatz. Diese auch als Genfähren bekannten Hilfsmittel können Lipidkügelchen, aber auch gentechnisch veränderte Viren sein, die das gewünschte genetische Material gezielt in die Körperzellen einbringen sollen. Nach anfänglichen Erfolgen, z. B. der Heilung von Mukoviszidose bei zwei Patienten, geriet die Gentherapie nach wechselhaften Ergebnissen und einigen Todesfällen bei Patienten (die aber wohl eher von falscher Anwendung der Therapie herrührten) in Verruf und ist im praktischen Einsatz heute kaum von Bedeutung.
Die DNA-Vaccinierung wird als alternative zur klassischen Impfung entwickelt. Dabei wird DNA durch direkte Injektion in den Muskel von Muskelzellen aufgenommen. Injiziert man DNA, die für einen charakteristischen Teil eines Krankheitserregers kodiert, so entwickelt das Immunsystem eine Resistenz gegen dieses Pathogen. Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Impfungen ist die DNA-Vaccinierung risikolos und praktisch frei von Nebenwirkungen. Auch kann gleichzeitig gegen mehrere Pathogene geimpft werden.
[Bearbeiten] Techniken und Methoden
Auch in der molekularbiologischen Forschung spielt die Gentechnik eine zentrale Rolle. Einige der gängigsten Verfahren sollen hier kurz erläutert werden.
[Bearbeiten] Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
Die Polymerase-Kettenreaktion (kurz: PCR) ist ein universelles Verfahren zur Vervielfältigung eines DNA-Abschnitts, dessen Anfangs- und Endsequenz bekannt sind. Unter Verwendung dieser kurzen Sequenzstücke und des Enzyms DNA-Polymerase wird der entsprechende Teil der "Vorlage" in einem einzigen Schritt verdoppelt, wobei mehrere Schritte schnell aufeinander folgen. Jede erzeugte Kopie kann im nächsten Schritt als Vorlage dienen. Nach z. B. 20 Schritten oder "Zyklen" hat sich die Anzahl der ursprünglich vorhandenen Sequenzkopien um das 106fache erhöht. Die Anzahl der ursprünglichen Moleküle kann daher sehr gering sein; für einen genetischen Fingerabdruck wurde schon eine erfolgreiche PCR aus dem genetischen Material durchgeführt, das ein Verdächtiger auf einem Klingelknopf zurückließ.
[Bearbeiten] DNA-Sequenzierung
Auf der PCR basiert die DNA-Sequenzierung, mit deren Hilfe die Abfolge der einzelnen Nukleotide einer DNA-Sequenz ermittelt werden kann. Dabei wird ein DNA-Stück mittels PCR amplifiziert (vervielfältigt). Im Gegensatz zur normalen PCR werden hier jedoch vier Reaktionen parallel angesetzt. Jeder Ansatzt enthält neben den üblichen Nukleotiden (dNTPs), die eine Verlängerung des DNA-Strangs ermöglichen, auch einen Anteil sogenannter ddNTPs, die zu einem Strangabbruch führen. Die einzelnen PCR-Produkte werden auf einem Gel nach Art (A, C, G oder T) und Position in der Sequenz getrennt. Die Auswertung des Gels ergibt dann die Nukleotidsequenz der DNA. Durch Automatisierung dieses Verfahrens und bioinformatische Anordnung einzelner DNA-Fragmente in einem langen Strang konnten bereits viele komplette Genome sequenziert werden, darunter das des Menschen.
[Bearbeiten] Klonierung
Häufig soll ein Gen von einem Organismus auf einen anderen übertragen werden. Dieser horizontale Gentransfer ist z. B. unerlässlich, um menschliches Insulin von Bakterien herstellen zu lassen; das Insulin-Gen muss in das Bakterium transferiert werden. Außerdem muss das Gen im Zielorganismus an die richtige Stelle gelangen, damit es dort korrekt benutzt werden kann. Die Extraktion der Original-DNA verläuft üblicherweise über PCR. Dabei werden gleichzeitig bestimmte Sequenzen an den Enden der DNA eingebaut. Diese Sequenzen können dann von Restriktionsenzymen erkannt werden. Diese Enzyme wirken wie molekulare Scheren; sie schneiden die DNA an bestimmten Sequenzen auf und hinterlassen charakteristische, "klebrige" Enden (sticky ends). Diese "kleben" an passende Sequenzen, die im Zielorganismus mit den gleichen Restriktionsenzymen erzeugt wurden. Bestimmte Enzyme (Ligasen) können die passenden sticky ends wieder zu einer durchgehenden DNA-Sequenz zusammenfügen – das Gen wurde zielgenau eingebaut.
[Bearbeiten] Knock-outs
Die Funktion eines Gens erkennt man häufig am besten dann, wenn es nicht funktioniert. Durch den Vergleich der Phänotypen zweier Organismen mit funktionierendem bzw. defekten Gen wird zumindest die grundsätzliche Bedeutung dieses Gens offenbar. Daher verwendet man häufig Knock-outs, Lebewesen also, bei denen ein bestimmtes Gen gezielt unbrauchbar gemacht wurde. Es existieren auch so genannte Knock-out-Stämme, Organismen, die reinerbig einen bestimmten Defekt aufweisen. Knock-out-Stämme sind für viele Untersuchungen von entscheidender Bedeutung; so lässt sich z. B. Krebsentstehung gut an Mausstämmen untersuchen, die einen Knock-out in einem oder mehreren Tumorsuppressorgenen aufweisen.
[Bearbeiten] DNA - Chips
In Forschung und Diagnostik gewinnen DNA-Chips zunehmend an Bedeutung. Ein solcher Chip (der außer der Form nichts mit Computerchips zu tun hat) hat dutzende oder hunderte von kleinen Kammern, in denen sich je genau ein kurzes DNA-Stück befindet. Dieses entspricht z. B. einem charakteristischen Stück eines Krankheitserzeugenden Gendefekts beim Menschen. Wird nun menschliche DNA auf den Chip gegeben, hybridisiert diese DNA mit den passenden Gegenstücken auf dem Chip. Hybridisierte DNA kann anschließend farblich sichtbar gemacht werden. Aus der Position der Farbsignale kann nun auf die Hybridisierungen und damit auf den Zustand der hinzugegebenen DNA rückgeschlossen werden; im Beispiel können so genetische Veranlagungen für bestimmte Krankheiten diagnostiziert werden. Eine Variante der DNA-Chips sind die RNA-Chips, bei denen mRNA zur Hybridisierung benutzt wird. Dadurch kann auf Protein-Expressionsmuster rückgeschlossen werden.
