Alle reden von Gentechnik - was ist das ? Grundlagen grüner Gentechnik Alle reden von Gentechnik Alle reden von Gentechnik, aber sehr vielen, die darüber reden, ist nicht wirklich klar, was sich eigentlich dahinter verbirgt. Aus diesem Grunde soll mit diesem kurzen Beitrag die „technische Basis“ der Gentechnologie erläutert werden. Gentechnik beschäftigt sich mit lebenden Organismen. Deshalb muss eingangs ein kurzer Blick darauf geworfen, was einen lebenden Organismus auszeichnet und von der unbelebten Umwelt unterscheidet. Grundlagen grüner Gentechnik Wichtige Eigenschaften des Lebens Selbstvermehrung aufgebaut aus Makromolekülen, z.B. Nukleinsäuren (DNA), Proteine hoher Ordnungsgrad Stoffwechsel Wachstum Aufnahme von Umweltreizen Bewegung abrufbare Information in Form der Nukleinsäuren (DNA) Zellen Grundlagen grüner Gentechnik Wichtige Eigenschaften des Lebens Hier finden sich die wichtigsten Eigenschaften des Lebens aufgelistet. Sie gelten ebenso für den primitiven Einzeller, z.B. ein Bakterium, wie für ein hochkomplexes Lebewesen, wie z.B. das Säugetier Maus oder auch den Menschen. Ohne tiefer einzudringen werden hier nur die im Rahmen der grünen Gentechnik interessierenden Komponenten rot hervorgehoben, die sog. Nukleinsäuren. Sie heißen Nukleinsäuren, weil sie sich überwiegend im Kern lebender Zellen befinden (lat. Nucleus = Kern). Das heute gebräuchliche Kürzel für sie ist DNA, wohinter sich das englische Desoxy-ribo nucleic acid verbirgt. (im Deutschen Desoxy-ribonukleinsäure, DNS) Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Die Desoxy-ribonukleinsäure (DNA), der Träger der Erbinformation, setzt sich aus nur 4 verschiedenen Bausteinen (A, C, G und T) zusammen. Diese lassen sich in allen denkbaren Kombinationen miteinander verknüpfen, womit eine praktisch unbegrenzte Vielzahl an Variationsmöglichkeiten zur Verfügung steht. Die die genetische Information tragende Desoxy-ribonukleinsäure ist in den Genen enthalten, die sich bei den höheren Lebewesen (Eukaryoten) im Zellkern befinden. Grundlagen grüner Gentechnik Bei den Eukaryoten (Zellen mit einem Kern) befindet sich die DNA im Zellkern und ist dort wiederum in den Chromosomen enthalten. Bei der DNA handelt sich um Makromoleküle in Form sehr langer Ketten mit sehr vielen Gliedern. In der Regel liegt sie in Form zweier spiralig umeinander gewickelter Ketten vor (Doppelhelix). Grundlagen grüner Gentechnik Funktionen der DNA DNA Transkription mRNA Translation Protein Replikation DNA Grundlagen grüner Gentechnik Vererbung DNA = Desoxy-ribonucleic acid DNS = Desoxy-ribonukleinsäure Funktionen der DNA Die DNA erfüllt zweierlei Aufgaben in einem jeden Lebewesen: Zum einen enthält die DNA die Information zur Synthese von Proteinen in den Zellen. Proteine sind die elementaren Bestandteile eines jeden Organismus. Sie tragen als Enzyme ebenso zu Lebensprozessen, wie z.B. der Verdauung oder dem Sehen, bei wie als Strukturproteine zum Aufbau von Muskeln oder Knochen. Der Vorgang der Synthese von Proteinen mit Hilfe der Matrize DNA läuft über die sog. Transkription und Translation ab, mittels sehr komplexer biochemischer Mechanismen, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. In diese Funktion der DNA greifen wir ein, wenn wir einen Organismus gentechnologisch verändern. Die zweite wichtige Funktion der DNA ist ihre Fähigkeit der Replikation, d.h. sich zu vervielfältigen, und damit die in ihr enthaltene Information an nachkommende Organismen weiter zu geben (Vererbung). Zum näheren Verständnis ihrer Wirkungsweise soll ein kurzer Blick auf die molekulare Ebene der DNA geworfen werden. Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Transkription Desoxy-ribose-Phosphat-Rückgrat 5´-Ende 3´-Ende 3´-Ende 5´-Ende Adenin Cytidin Thymidin Guanin Grundlagen grüner Gentechnik Bei A, C, G und T handelt es sich um sog. Nukleinsäurebasen Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Transkription Wie bereits erwähnt, setzt sich die DNA aus nur 4 Bausteinen, A, C, G und T, den sog. Nukleinsäurebasen (die über Desoxy-ribose- und Phophatreste (Desoxy-ribose-Phosphat-Rückgrat) mit einander verbunden sind), zusammen, die in Form sehr langer Ketten, eines Stranges, vorliegen und in beliebiger Reihenfolge aneinander gebunden werden können. Die Länge eines solchen Stranges kann bis zu vielen Millionen Gliedern betragen. Die DNA liegt fast immer doppelsträngig als sog. Doppelhelix vor, bei der die beiden DNA-Stränge spiralförmig aufgerollt sind und antiparallel zueinander verlaufen. Im antiparallelen (komplementären) Strang liegt jeweils ein Baustein A (T) einem Baustein T (A) bzw. ein Baustein C (G) einem Baustein G (C ) des ersten Stranges gegenüber. D.h., kennen wir die Sequenz der Basen in einem Strang, so ergibt sich automatisch die Basensequenz im zweiten, komplementären Strang. Wie wird die in diesem riesigen Molekül enthaltene Information verschlüsselt ? Jeweils 3 Bausteine bilden den Code für eine der 20 verschiedenen Aminosäuren, aus denen sich alle Proteine aufbauen lassen. Aus der Reihenfolge der Codes ergibt sich die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein, die schließlich dessen Eigenschaften bestimmen. Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Transkription und Translation Gen Startcodon Stopcodon 5´-Ende 3´-Ende Promotor Protein Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Transkription und Translation Der Abschnitt auf der DNA-Kette, der die Information für die Bildung eines Proteins beinhaltet, wird als Gen bezeichnet. Die meist sehr langkettige DNA enthält hintereinander gestaffelt oftmals sehr viele Gene. (Nebenbei: Der Mensch besitzt etwa 25 000 Gene) Jedes Gen benötigt einen Startcodon, der festlegt, ab hier soll die Information abgelesen werden, und einen Stopcodon, der das Ende der Ablesung signalisiert. Außerdem ist ein sog. Promotor erforderlich, der steuert, wann überhaupt die im Gen enthaltene Information abzulesen ist, denn diese wird natürlich nicht zu jeder Zeit und an jedem Ort benötigt. Jede Zelle enthält den gesamten Satz an verfügbaren Genen, benötigt aber für ihre spezifische Funktion nur einen Bruchteil davon. Die Abbildung zeigt, stark schematisiert, den Aufbau eines Gens. Im Zuge der hier nicht näher zu beschreibenden Transkription und Translation wird die im Gen enthaltene Information in ein Protein übersetzt. Dies ist die zentrale Funktion der DNA bei den Lebensprozessen. Bei der Vererbung spielt die Replikation der DNA die entscheidende Rolle. Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Replikation 3´-Ende 5´-Ende Adenin Cytidin Thymidin Guanin Grundlagen grüner Gentechnik Desoxy-ribonukleinsäure (DNS, DNA) Replikation Bei der Replikation wird der Doppelstrang der DNA aufgespleißt und dann jeder der Einzelstränge durch Synthese des komplementären Stranges wieder zum Doppelstrang ergänzt. Wie leicht zu erkennen ist kommt dann jeweils wieder ein A- zu einem T- bzw. ein C- zu einem G-Baustein im komplementären Strang. Damit lässt sich die DNA nahezu beliebig vervielfältigen und somit die enthaltene Information auch vererben. Grundlagen grüner Gentechnik Biotechnologie = Gentechnologie ? Biotechnologie Biotechnologie ist ein von Menschen seit Jahrtausenden angewandtes Verfahren: Unter Einsatz von Mikroorganismen werden Lebensmittel, wie Käse, Bier, Sauerteig usw. gewonnen. Gentechnologie (Gentechnik) Gentechnologie umfasst die gezielte Veränderung der Erbanlagen von Lebewesen. Dies ist grundsätzlich möglich, weil die Erbanlagen aller Lebewesen gleich aufgebaut sind. Träger der Erbinformation ist in allen Fällen die DNA. Grundlagen grüner Gentechnik Biotechnologie = Gentechnologie ? Vor der Beschreibung der eigentlichen Gentechnologie, sind zunächst kurz 2 Begriffe zu klären: Zuweilen werden in der wissenschaftlichen Literatur, aber auch in der Presse, die Begriffe Biotechnologie und Gentechnologie (Gentechnik) synonym gebraucht werden, in anderen Beiträgen wird dagegen differenziert. Unter Biotechnologie sollen hier solche Verfahren verstanden werden, die unter Mithilfe von Mikroorganismen Lebensmittel herstellen. Diese Verfahren sind z.T. Jahrtausende alt, auch wenn man natürlich in früheren Zeiten nichts von den erforderlichen Mikroorganismen wusste. Heute werden sie natürlich durch modernste Anwendungen der Mikrobiologie, Biochemie, Molekulargenetik und Verfahrenstechnologie verfeinert. Bei der Gentechnologie dagegen handelt es sich um die gezielte Veränderung der Erbanlagen von Lebewesen über Artgrenzen hinweg. Die dabei neu entstandenen Organismen werden als genveränderte Organismen (GVO) oder transgene Pflanzen bzw. transgene Tiere bezeichnet. Auch die Biotechnologie bedient sich heute vielfach genveränderter Mikroorganismen oder Zellkulturen, so dass man die Gentechnologie als ein Teilgebiet der Biotechnologie verstehen kann. Grundlagen grüner Gentechnik Was bedeutet Gentechnologie ? Isolierung von Genmaterial Neukombination von Erbmaterial Übertragung neu kombinierten Erbmaterials in andere Organismen über Artgrenzen hinweg Plasmid Grundlagen grüner Gentechnik Was bedeutet Gentechnologie ? Nun aber zur eigentlichen Gentechnologie. Was bedeutet Gentechnologie, wie wird dabei vorgegangen ? Ziel der Gentechnologie ist es, das Gen einer Art, das eine erwünschte Eigenschaft besitzt, auf eine andere, fremde Art zu übertragen, die diese Eigenschaft nicht besitzt. Dazu muss zunächst das gewünschte Genmaterial isoliert werden. Als nächster Schritt kann die Neukombination des gewonnenen Erbmaterials erforderlich sein. Und schließlich ist das neukombinierte Erbmaterial in den Zielorganismus über die Artgrenzen hinweg einzubringen. Dafür gibt es verschiedene Methoden, die im (folgenden) Bild kurz angedeutet werden. Grundlagen grüner Gentechnik Was bedeutet Gentechnologie ? Grundlagen grüner Gentechnik Was bedeutet Gentechnologie ? 1. In der grünen Gentechnik wird heute am häufigsten auf das Bakterium Agrobacterium tumefaciens zurückgegriffen, das, wie sein wissenschaftlicher Name bereits andeutet, natürlicherweise die Eigenschaft besitzt, sein Genmaterial in das Genmaterial von Pflanzen einzubringen. Dazu wird Agrobacterium tumefaciens, genau genommen das sog. Ti-Plasmid des A.t.s, zunächst selbst gentechnologisch modifiziert (Neukombination) und anschließend das neue Gen mittels des Plasmids in die DNA einer Pflanze eingebaut. (Als Plasmide bezeichnet man bei Bakterien und einigen Hefen vorkommende ringförmige, doppelsträngige DNA-Moleküle, die sich als eigenständige genetische Einheit unabhängig vom im Kern befindlichen Erbgut vermehren (replizieren) können). 2. Man beschießt Pflanzenzellen mit DNA beschichteten Gold- oder Wolframmikropartikeln 3. Es lässt sich auch DNA in Protoplasten (Pflanzenzellen ohne Zellwand) einbringen. Da Pflanzenzellen totipotent sind, können anschließend aus einzelnen, derart genmodifizierten Pflanzenzellen wieder ganze Pflanzen regeneriert werden. Bei Tieren ist dies dagegen äußerst schwierig. Die Prozesse sind sehr aufwendig und da die DNA-Übertragung nach Zufallskriterien erfolgt, müssen die manipulierten Zellen mit den gewünschten Eigenschaften aufwendig aussortiert werden. Kein Wunder, dass die Gewinnung einer transgenen Pflanzen bis zu 10 und mehr Jahren dauern kann. Grundlagen grüner Gentechnik Einsatzmöglichkeiten der Gentechnik transgene Pflanzen Pharmaprodukte Gentherapie biologischer Pflanzenschutz Gendiagnostik Umweltsanierung well beingPräparate Enzyme Vitamine transgene Tiere gesündere Nahrungsmittel Gentechnologie ist zwar, wie gezeigt, ein aufwendiger und zeitraubender, aber eben auch ein viel versprechender Prozess. Deshalb wird in sie viel Geld und Forschung investiert. Die Abbildung zeigt symbolhaft die erwarteten oder erhofften Früchte der Forschung. So verwundert es nicht, dass sehr viele Firmen weltweit einen Großteil ihres Potentials in die Entwicklung genveränderter Organismen stecken. Dennoch gibt es und gab es früher noch viel mehr z.T. heftige Widerstände gegen die Gentechnologie, insbesondere gegen die sog. grüne Gentechnologie. Grundlagen grüner Gentechnik Gentechnologie = Gentechnologie ? Rote Gentechnologie Zweig der Gentechnologie, der sich mit der Herstellung medizinischer Produkte befasst. Weiße (graue) Gentechnologie Einsatz gentechnisch veränderter Mikroorganismen, deren Produkte z.B. in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Grüne Gentechnologie Einsatz gentechnisch veränderter Organismen (GVO) in der Landwirtschaft. Grundlagen grüner Gentechnik Gentechnologie = Gentechnologie ? Aus pragmatischen Gründen werden heute 3 große Linien der Gentechnik unterschieden, die rote, die weiße bzw. graue und die grüne Gentechnik. Unter der roten Gentechnik versteht man den Zweig der Gentechnologie, der sich mit der Gewinnung medizinisch oder pharmazeutisch wichtiger Substanzen beschäftigt. Etwa 1985 wurde erstmals ein gentechn. erzeugtes Medikament zugelassen. Heute verfügen wir über mehr als 40. Dazu gehört z.B. das für Diabetiker so wichtige Insulin, gegen dessen Herstellung bei den damaligen Farbwerken Höchst es so lange erbitterte Widerstände gab. Die Zeiten sind vorbei, die rote Gentechnologie ist weitestgehend akzeptiert. Weitere wichtige Produkte der roten Gentechnologie sind z.B. Erythropoetin (EPO), FVIII, rt-PA, ß-Interferon (für MS) usw . Die weiße (graue) Gentechnologie gewinnt z.B. Enzyme, Aromastoffe oder Vitamine für die Lebensmittelindustrie mittels genmanipulierter Mikroorganismen. Der entscheidende Unterschied der grünen Gentechnik zu den beiden anderen Zweigen ist, dass letztere mit GVOs in geschlossenen Systemen arbeiten, d.h. die GVOs gelangen unter normalen Bedingungen nicht in die Umwelt. Nur ihre erwünschten Produkte werden isoliert und weiter eingesetzt. Die grüne Gentechnik dagegen hebt sich von den beiden vorgenannten Zweigen gerade durch die Freisetzung der GVOs (transgene Pflanzen bzw. Tiere) ab ! Hier v.a. setzt die Kritik an der grünen Gentechnik an. Grundlagen grüner Gentechnik Potentielle Risiken der grünen Gentechnik Risiko für die konventionelle und ökologische Landwirtschaft ? Gefährdung kleinbäuerlicher Betriebe ? Gefährdung der menschlichen Gesundheit ? Gefährdung des Naturhaushalts ? Ökonomische Faktoren ? Grundlagen grüner Gentechnik Potentielle Risiken der grünen Gentechnik Das Anwendungspotential transgener Pflanzen ist sehr groß: Anwendungsbereiche Ziel der gentechnischen Veränderung Ertragssteigerung Stoffwechsel und Entwicklung, z.B. rascheres Wachstum, frühere Blüte oder Frucht Ertragssicherung Resistenz gegen Pathogene, Herbizide (z.B. Herbizid- oder Insektizid-Resistenz) und abiotische Stressfaktoren nachwachsende Rohstoffe Veränderung von Qualität- und Quantität von Inhaltsstoffen (z.B. großwüchsiger Mais zur Energiegewinnung, Provitamin A („goldener Reis“), Pharmaprodukte Zierpflanzenbau Veränderung von Qualität und Quantität von Inhaltsstoffen Phytoremediation Abbau von toxischen Substanzen; Anreicherung von Schwermetallen Die zahlreichen Kritiker der grünen Gentechnik werfen dieser nicht überschaubare Risiken vor, weshalb sich der Einsatz von GVOs in der Landwirtschaft verbietet. Das Eingehen auf die einzelnen Punkte ist nicht Thema dieses Beitrages. Grundlagen grüner Gentechnik Smart breeding – Alternative zur grünen Gentechnik ? Kulturform Wildform • • neue „Zucht“ Grundlagen grüner Gentechnik klassische Kreuzung Auswahl der optimalen Nachkommen mittels gentechnischer Verfahren Smart breeding – Alternative zur grünen Gentechnik ? Seit einigen Jahren kommt zunehmend das sog. Smart breeding (in wikipedia auch als Präzisionszucht bezeichnet) zur Anwendung. Beim Smart breeding kreuzen Züchter die Wildform einer Pflanze, die erwünschte Eigenschaften besitzt, mit einer Kulturform, die diese Eigenschaft bisher noch nicht zeigt. Smart breeding arbeitet im Gegensatz zur grünen Gentechnologie nicht artübergreifend, d.h. es entstehen keine transgenen Pflanzen. Smart breeding beschleunigt das „Züchtungsverfahren“ ungemein: bei den gewonnenen Keimlingen muss nicht, wie bei der klassischen Züchtung, gewartet werden, bis es zur Ausprägung der gewünschten Eigenschaften kommt, um sie zu sortieren. Die Auswahl der Nachkommen, die die gewünschten Eigenschaften besitzen, kann mit Hilfe molekularbiologischer (gentechnologischer) Verfahren schon im frühesten Stadium der Pflanze erfolgen. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis eine neue Kultursorte auf dem Markt erscheint auf etwa 5 Jahre. Die klassische Züchtung, wie aber auch die grüne Gentechnik, benötigen dafür 10 und mehr Jahre. So ist es nicht verwunderlich, dass sich die großen Agrokonzerne zunehmend auch dem Smart breeding zuwenden. Die meisten gegenüber der grünen Gentechnik vorgebrachten Vorbehalte treffen auf das Smart breeding nicht zu. Doch kann nicht davon ausgegangen werden, dass Smart breeding die grüne Gentechnik vollständig verdrängen wird. Denn diese Technik lässt sich nur verwirklichen, wenn eine Wildform verfügbar ist, die die gewünschte Eigenschaft besitzt, die man auf eine ihrer Kulturformen übertragen will. Das ist, wie leicht zu erkennen, oftmals nicht der Fall. Grundlagen grüner Gentechnik
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