Die Gentechnik bedient sich unterschiedlicher Grundoperationen. Sie finden in Bereichen wie Landwirtschaft, Medizin oder Industrie Anwendung. Doch wie funktionieren diese gentechnischen Methoden? Welche Risiken sind damit verbunden? Und welche Chancen bietet uns die Technologie für die Zukunft? Ein Thema, das die Gesellschaft spaltet.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Gentechnik: Was ist das?
Während die Gentechnik immer wieder für Schlagzeilen und Diskussionsbedarf in der Gesellschaft sorgt, wird es immer wichtiger sich mit der Frage auseinanderzusetzen, was die Gentechnik überhaupt ist. Man versteht darunter allgemein Methoden um gezielt künstliche Veränderungen an der DNA von Organismen zu erzeugen. Diese bestimmt als Träger von Erbinformationen unter anderem das Verhalten, Aussehen, den Stoffwechsel und die Lebensweise von Lebewesen.
Die Gentechnik bietet heute und in Zukunft die Möglichkeit arteigene oder artfremde Gene zu ergänzen, um Eigenschaften auszuschalten oder zu regulieren. Dabei werden diese Grundoperationen der Gentechnik in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Dazu zählen die Landwirtschaft, Medizin, Umwelt und Forschung an Mikroorganismen. Vor allem in der Pflanzenzüchtung und der Humanmedizin sind die Grundoperationen der Gentechnik bereits verbreitet.
Wie funktioniert gentechnische Veränderung?
Für die gentechnische Veränderung eines Organismus, muss dessen Erbinformationen geändert werden. Diese sind in Chromosomen gespeichert, die wiederum aus Nukleotiden bestehen. Die spezifischen Eigenschaften eines Organismus liegen in ebendieser Abfolge von Molekülen (DNA- bzw. Nukleotidsequenzen). Durch die Aktivierung von Genen wird die Synthese von Proteinmolekülen bewirkt.
Diese wiederum sind unter anderem für den Auf- und Abbau von Körperbausteinen verantwortlich oder dienen zum Beispiel in der Immunabwehr als Erkennungsrezeptoren. Die Nukleotidsequenzen sind also beispielsweise dafür verantwortlich, welche Farbe die Blüten einer Pflanze aufweist oder, ob sie Giftstoffe produziert oder nicht.
Grundoperationen der Gentechnik: die Methoden
Wann welche Gene aktiviert werden, wie die Produktion gestoppt oder Kopien erstellt werden, ist von vielen Faktoren abhängig. An dieser Stelle greifen die Grundoperationen der Gentechnik ein. Die doppelsträngigen Strukturen der DNA können während der Kernteilung oder Proteinsynthese aufgebrochen werden. Mit speziellen Enzymkomplexen kann man sie ablesen, reparieren oder duplizieren.
Prozesse: Grundoperationen der Gentechnik
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DNA-Sequenzierung:
Zur Ermittlung der DNA-Sequenz ist das Kettenabbruchverfahren häufig. Dabei werden Primer (kurze Nukleotidstücke) und das Enzym Polymerasen eingesetzt, um ein DNA-Teilstück zu vervielfältigen. Dem Enzym werden dann spezielle Nukleotide, die mit Fluoreszenzfarbstoffen versehen sind, angeboten. So wird eine Neusynthese herbeigerufen.
Wird das Nukleotid eingebaut, stoppt dies die natürliche Synthese. Es entsteht ein Produkt aus fluoreszierenden DNA-Fragmenten, die unterschiedliche Kettenlängen aufweisen können. Mithilfe von Sequenzierautomaten werden sie aufgetrennt und laseroptisch bestimmt, sodass anhand der Farbabfolge die Nukleotidsequenz bestimmt werden kann.
Zur Ermittlung der DNA-Sequenz ist das Kettenabbruchverfahren häufig. ( Foto: Adobe Stock – Grispb )
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Polymerase-Kettenreaktion:
Bei dieser Grundoperation der Gentechnik geht es darum DNA zu vervielfältigen. Teilbereiche der DNA sollen so in einer bestimmten Menge zur weiteren Untersuchung zur Verfügung stehen. Die Primer heften sich bei der PCR beidseitig an einen geöffneten DNA-Strang, das Polymerasen Enzym sorgt anschließend für die Erzeugung identischer Kopien dieses Fragments. Eine gelelektrophoretische Auftrennung des Produkts ermöglicht dann die Identifizierung und Isolierung des DNA-Bereichs.
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Klonierung:
Eine weitere Möglichkeit der DNA-Vervielfältigung ist die Klonierung. Anders als bei den vorherigen Methoden werden hier die ringförmigen DNA-Strukturen von Plasmiden (Bakterien) genutzt. Für den gebrauch im Labor optimierte Plasmide können fremde DNA aufnehmen und vervielfältigen.
Außerdem verfügen sie über nützliche Nachweisgene und regulatorische Einheiten. Mithilfe verschiedener Enzyme wird ein Plasmid aufgeteilt und die Fremd-DNA mit der Bakterien-DNA verbunden. Durch die Transformation des Plasmids in lebende Bakterienzellen vermehren sich diese unter optimalen Bedingungen. So ist eine Isolierung oder Ernte der Plasmide möglich.
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Microarrays (DNA-Chips):
Die Microarrays bilden automatisierte Grundoperationen der Gentechnik. DNA-Chips können Mutationen identifizieren oder Genaktivitäten bestimmen. Dadurch ist diese Methode besonders in der Krebsforschung oder der Diagnostik von Erbkrankheiten nützlich. Mit markierten Reagenzien werden hierbei winzige Mengen von DNA untersucht. Die Verbindung zweier Nukleotidstränge (Hybridiserung) erbringt dann den Nachweis. Liegt eine Mutation vor, wird die Passform zerstört und eine definierte Farbreaktion wird sichtbar.
Die Microarrays bilden automatisierte Grundoperationen der Gentechnik. ( Foto: Adobe Stock – luchschenF )
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Gen-Knockout:
Der Knockout vorhandener Gene handelt es sich üblicherweise um eine Methode zu Forschungszwecken. Es wird untersucht, welche Folgen das Fehlen eines Gens verursachen kann. Mithilfe von beispielsweise Enzymen werden sie inaktiviert und modifizierte Sequenzen eingebracht.
Der zelleigene Reparaturmechanismus sorgt anschließend für den Einbau des defekten Genabschnitts, was zur Folge hat, dass ein Lebewesen mit diesen Zellen den Gendefekt in all seinen Zellen tragen und weitervererben würde. In der Forschung werden Knockout-Mäuse genutzt, um die Entwicklung von Krebs oder Erbkrankheiten zu untersuchen und neue Therapien zu testen.
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Genome Editing (CRISPR/Cas9):
Einzelsträngige Sonden, die von bestimmten Abschnitten von Bakterien-DNA (CRISPR) gebildet werden, spüren bei dieser Methode passende DNA-Bereiche auf und binden sie. Der angeheftete DNA-Strang wird dann vom zugehörigen Enzym Cas9 zerschnitten.
Da dieses System im Bakterium als eine Art Immunabwehr fungiert, versucht die Zelle diesen Bruch zu schließen. Hier kann dann ein veränderter oder artfremder Nukleotidstrang angeboten werden. Es wird als Transgen in das eigene Genom integriert, was für Forscher die Möglichkeit bietet Sondensequenzen einfach und beliebig herzustellen.
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Transgene Pflanzen:
Bei Pflanzen kann das Erbgut ganz gezielt verändert werden. Ziel dabei ist es die Vielfalt an Züchtungsmethoden zu erweitern. Die Herstellung von Rekombinationen bestehend aus bakterieller sowie fremder (auch nicht pflanzlicher) DNA, führt zur Klonierung.
Durch Gewebekultur oder Aussaht der modifizierten Pflanzenzellen können dann genveränderte Pflanzen herangezogen werden. Alle Zellen dieser Pflanzen tragen dann das Transgen in sich und besitzen die gewünschten Eigenschaften. Diese Methode wird in der Landwirtschaft eingesetzt, um Pflanzen resistenter zu machen oder um Nährstoffgehalt und Wachstum zu verbessern.
Grüne Gentechnik: Agrogentechnik – Anwendung bei Pflanzen ( Foto: Adobe Stock – DC Studio )
Anwendungsgebiete der Gentechnologie
Die Grundoperationen der Gentechnik finden sich bereits in den unterschiedlichsten Bereichen. Sowohl in der Forschung als auch in praktische Anwendung, wie zum Beispiel in der Landwirtschaft, sind die Methoden verbreitet. Die Gliederung erfolgt dabei in Form einer Art Farblehre.
Gentechnik nach Farben
- Grüne Gentechnik: Agrogentechnik – Anwendung bei Pflanzen
- Rote Gentechnik: Anwendung in der Medizin und Pharmazie
- Weiße Gentechnik: Anwendung in der Industrie
- Graue Gentechnik: Anwendung speziell in der Abfallwirtschaft
- Blau Gentechnik: Anwendung an Mikroorganismen der Tiefsee
Gentechnik: Regulationen
Gentechnisch veränderte Organismen, die aus den Grundoperationen der Gentechnik entstehen, dürfen natürlich nicht frei in allen Bereichen eingesetzt werden. Vorschriften zum Umgang und der Inverkehrbringung von GVO werden durch das Gentechnikgesetz (GenTG) von 1990 und der zugehörigen Sicherheitsverordnung reguliert. Mit GVO dürfen danach nur in angezeigten, geschlossenen Anlagen beispielsweise Laboratorien, Produktionsanlagen oder Gewächshäusern und nach vorheriger Genehmigung gearbeitet werden.
Rote Gentechnik: Anwendung in der Medizin und Pharmazie ( Foto: Adobe Stock – Grispb )
Landwirtschaft
In der Landwirtschaft wird die grüne Gentechnik vor allem zur Züchtung von Nutzpflanzen angewandt. Höhere Erträge, Bewältigung schwieriger Kulturbedingungen oder Schädlings- bzw. Krankheitsresistenz sind hier die größten Ziele. Während weltweit viele Soja- und Maisprodukte von genveränderten Pflanzen angebaut werden, sind in der EU lediglich zwei GVO-Sorten zugelassen.
Zur kommerziellen Nutzung sind nur der Bt-Mais MON 810 und die Amflora Kartoffel (zur Stärkegewinnung) prinzipiell erlaubt. In Deutschland gilt allerdings seit 2012 ein generelles Anbauverbot von gentechnisch veränderten Pflanzen zu kommerziellen Zwecken.
Lebensmittel
In der EU gilt eine generelle Nulltolleranzgrenze, was nicht-zugelassene GVO betrifft. Lebensmittel, die allerdings eine Zulassung besitzen, müssen in Deutschland ab einem Gehalt von 0,9% gekennzeichnet werden. Diese Produkte sind vorwiegend Baumwoll-, Mais-, Raps- oder Soja-Erzeugnisse. Nicht kennzeichnungspflichtig sind allerdings Waren, bei deren Herstellungsprozess GVO verwendet wurden (z.B. tierische Erzeugnisse bei denen Futtermittel aus GVO verfüttert wurden).
Grundoperationen der Gentechnik: Fazit
Die Möglichkeiten der Gentechnologie sind heute bereits sehr vielfältig. Unterschiedliche Grundoperationen der Gentechnik versprechen Fortschritt bereits heute, aber vor allem in der Zukunft in beinahe allen Forschungs- aber auch Lebensbereichen.
Trotzdem ist im Diskurs der Gesellschaft, um gentechnisch veränderte Organismen immer auch ein kritischer Blick hinter die Kulissen zu werden. Abzuwägen bleibt, inwiefern diese Eingriffe in Evolution gerechtfertigt und tragbar sind.
