Dieses Video bildet den ersten Teil einer Videoreihe zum Thema Gentechnik und ist als Grundlagenvideo zu verstehen. Es dient sowohl zur Einführung als auch zur Zusammenfassung des zur Genetik gehörenden, abiturrelevanten Themenfeldes. Gleichzeitig kann und soll es euch auch eine Strukturierungshilfe sein, denn man verliert schnell den Überblick über dieses abstrakte Thema und weiß dann gar nicht mehr, was man da eigentlich lernt.
Unter Gentechnik versteht man Verfahren, mit denen man das Erbgut, die DNA, von Organismen gezielt künstlich verändern kann. Dabei kann zum Beispiel das Erbgut eines Organismus neu kombiniert oder Teile des Erbguts auf einen anderen Organismus übertragen werden. Warum sollte man dies tun?
Bestimmte Abschnitte der DNA eines fremden Organismus in die DNA eines anderen Organismus einschleusen und auf diese Weise einen Transgenen das heißt gentechnisch veränderten Organismus, abgekürzt auch GVO, erzeugen. Meist enthält der Teil der Fremd-DNA, der in ein Zielorganismus oder Zielzelle eingeschleust werden soll, ein Gen, das die Information für die Synthese eines bestimmten Proteins enthält. Es gibt Proteine, die von so großem biologischen Nutzen sind, dass man diese Gene auf eine Zielzelle transferiert, man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Gentransfer, Mit dem Ziel, eine hohe Anzahl von Kopien des gewünschten Gens herzustellen.
Man sagt auch, das Gen zu klonieren. Das Insulingen von Menschen ist so ein bedeutendes Gen, das durch den Transfer auf eine Zielzelle Insulin als Genprodukt in so großem Umfang synthetisieren kann, dass es bei der Therapie von Diabeteserkrankten, sie produzieren nämlich wenig oder gar kein Insulin, das für die Regulation des Blutzuckerspiegels verantwortlich ist, zum Einsatz kommt. Weiteres Ziel des Gentransfers kann die Erzeugung eines Organismus mit einem neuen Phänotypen, einem neuen Erscheinungsbild sein, wie es beispielsweise in der Pflanzenzucht der Fall ist.
Aber auch die Analyse eines Gens kann als Ziel des Gentransfers verfolgt werden. Schon jetzt wird deutlich, dass gentechnische Verfahren in ganz unterschiedlichen Bereichen wie der Medizin, der Landwirtschaft oder des Umweltschutzes, wie gleich noch deutlich wird, Anwendung finden. Entsprechend ihres Anwendungsbereiches lässt sich die Gentechnik in die rote Gentechnik, die grüne Gentechnik, die graue Gentechnik und in die weiße Gentechnik einteilen. Die Gentechnik schafft dabei ebenso vielfältige Möglichkeiten und Chancen, wie sie ethische und sicherheitstechnische Fragen aufwirft und mit Risiken verbunden ist. In jedem Fall hat sie zu Verbesserungen in einzelnen Bereichen geführt, wie das nachfolgende Beispiel aus dem Bereich des Umweltschutzes verdeutlicht.
Die Kontamination der Umwelt und speziell der Meere durch Öl hat in den letzten Jahrzehnten immer wieder zu großen Umweltkatastrophen geführt. Während des Golfkriegs Anfang der 1990er Jahre zum Beispiel flossen etwa eine Milliarde Liter Rohöl in den persischen Golf und in die Wüste. Der in den USA lebende Inder Ananda Mohan Chakrabarti machte sich die Eigenschaft mancher Bakterien einzelne Bestandteile des Öls zu verstoffwechseln und damit zu verdauen, zu Nutze.
Tatsächlich, es existieren Bakterienarten, die im Laufe der Evolution ungewöhnliche Enzyme und biochemische Reaktionswege hervorgebracht haben, die es ihnen ermöglichen, ebenso ungewöhnliche Nährstoffe zu nutzen und zu verstoffwechseln, zum Beispiel umweltschädliche Substanzen wie Öl. Viele Gene, die Enzyme für den Abbau von Rohöl kodieren, liegen auf Plasmiden, kleinen ringförmigen DNA-Elementen. Aus verschiedenen Bakterienstämmen, die alle jeweils einen Ölbestandteil abbauen konnten, erzeugte der Biologe durch Kreuzung eine Art Superplasmid, welches alle vier Stoffe gleichzeitig abbauen konnte. Dieses wiederum schleuste er zurück in die Bakterien ein.
Das Potenzial eines solchen Superbakteriums im Kampf gegen Ölkatastrophen liegt auf der Hand. Und das erkannte auch Chakrabarti, der für seine Entdeckung Patent anmeldete, um sie gesetzlich schützen zu lassen. Er erhielt weltweit das erste Patent für einen gentechnisch veränderten Organismus, wobei im Anschluss viele weitere Patente für Bakterien folgten, die giftige Metalle wie Quecksilber und Kupfer verstoffwechselten und so einen Beitrag zum Umweltschutz leisten. Die künstliche Herstellung eines transgenen Bakteriums, das äußerst effektiv in der Lage ist, Öl abzubauen, zeigt euch ein konkretes Beispiel aus der Gentechnik. lässt aber auch viele schulstoffrelevante Fragen zum Thema Gentechnik unbeantwortet, wie zum Beispiel, wie werden die DNA-Moleküle, auf denen das relevante Gen liegt, in kleinere Fragmente geschnitten?
Und wie fügt man diese Fragmente zusammen, um neu kombinierte bzw. rekombinante DNA, also ein im Labor hergestelltes DNA-Molekül, das DNA aus mindestens zwei genetischen Ursprüngen enthält, zu erzeugen. Und wie geschieht das Einschleusen der rekombinanten DNA in eine geeignete Ziel- bzw.
Wirtszelle? Und wie findet man überhaupt heraus, wo genau das gewünschte Gen auf der genomischen, d.h. der gesamten DNA, liegt?
Für das Ziel der DNA-Klonierung von einem bestimmten DNA-Abschnitt mitsamt dem relevanten Gen möglichst viele Kopien herzustellen, wie z.B. vom Insulingen, da muss der jeweilige DNA-Abschnitt mit dem entsprechenden Gen zunächst von der übrigen DNA isoliert werden. Anschließend wird das Fragment in der Regel in ein Transportmolekül, das als Vektor bezeichnet wird, integriert, das im nächsten Schritt in die Ziel- bzw. Wirtszelle eingeschleust werden kann, wo viele Genprodukte, z.B. Insulin, gebildet werden können.
Die molekularen Grundwerkzeuge der Gentechnik, mithilfe derer sich rekombinante DNA herstellen lässt, sind Restriktionsenzyme. Restriktionsenzyme kommen natürlicherweise in Bakterien vor und sind in der Lage, spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen und an ihnen zu schneiden. An palindromischen Sequenzen Sequenzen, deren spezifische Basenabfolge sich in beide Richtungen der beiden DNA-Einzelstränge gleichlesen, schneiden Restriktionsenzyme zwischen zwei Basen, entweder genau in der Mitte des Palindroms, sodass zwei gleich große Fragmente mit sogenannten glatten Enden entstehen, oder an zwei unterschiedlichen Stellen. In diesem Fall besitzt jedes Fragment durch das versetzte Schneiden ein überlappendes Ende, die sogenannten klebrigen Enden.
Weil das Restriktionsenzym auf die gleiche Weise auch das Transportmolekül, den Vektor, schneidet, können sich die klebrigen Enden des DNA-Fragments vom Spender mit den komplementären Basenpaaren der klebrigen Enden des Vektors verbinden und rekombinante DNA erzeugen. Die DNA-Ligase als weiteres Enzym katalysiert anschließend die Verknüpfung der DNA-Fragmente. Als Vektoren werden sowohl Plasmide als auch Viren verwendet.
Plasmide eignen sich als Transportmoleküle. Man kann sie nämlich im Labor leicht modifizieren, sodass sie folgende Eigenschaften aufweisen. Sie besitzen Restriktionsschnittstellen.
Sie sind erforderlich, damit die Restriktionsenzyme am Plasmid binden und schneiden können. Plasmide enthalten meist Gene für die Resistenz verschiedener Antibiotika, die wie Reporter-Gene über das Vorhandensein rekombinanter DNA berichten. Die Wissenschaftler also darüber informieren, ob der Gentransfer des fremden Gens in die Wirtszelle erfolgreich war.
Vor dem Hintergrund, dass der erfolgreiche Gentransfer ein sehr seltenes Ereignis ist und nur eine von 10.000 Zellen tatsächlich das Plasmid mitsamt Fremdgen aufnimmt, ist das Interesse, über ein solches Ereignis informiert zu werden, nachvollziehbar. Bei der Selektion transgener Zellen macht man sich zunutze, das fremde Gen innerhalb einer der beiden Antibiotika-Resistenz-Gene zu integrieren. wodurch das Plasmid die Resistenz gegenüber dem jeweiligen Antibiotikum verliert.
Auf einem Nährmedium mit dem Antibiotikum würde das Plasmid nicht wachsen. Ein Indiz für einen erfolgreich stattgefundenen Gentransfer. Mit Sicherheit kann man dies aber nicht sagen.
Denn für den Fall, dass die Wirtszelle das Plasmid gar nicht erst aufgenommen hat und keine Antibiotikaresistenzen ausgebildet werden können, würde diese Zelle auf einem Nährmedium mit einem Antibiotikum ebenfalls nicht wachsen. Die Überprüfung, inwiefern der Gentransfer erfolgreich war, gelingt, wenn man die Zellen auf ein Nährmedium mit dem jeweils anderen Antibiotikum überstempelt. Während eine Zelle, die kein Plasmid aufgenommen hat und schließlich gegen keine der beiden Antibiotika eine Resistenz ausbilden konnte und entsprechend wieder kein Wachstum zeigt, wächst eine Zelle, bei der der Gentransfer erfolgreich war. Weil das jeweilige Antibiotikum Resistenz gehen. intakt und funktionsfähig bleibt und eine Resistenz gegen das Antibiotikum, auf das es wächst, ausbilden kann.
Neben den Reportergen, den Antibiotikaresistenzgen und die Erkennungssequenzen für die Restriktionsenzyme, enthalten Plasmide einen Replikationsursprung für Bakterien. Wichtig, weil sie so unabhängig vom Wirtschromosom repliziert verdoppelt werden können, und so auch nach einer Zellteilung in den Tochterzellen enthalten sind und das gewünschte Genprodukt herstellen können. Neben diesem indirekten Verfahren, ein Gen in eine Zielzelle zu schleusen, nämlich mithilfe eines Vektors, existieren auch eine Reihe von Verfahren des direkten Gentransfers, bei dem das Gen direkt in die Zielzelle geschleust wird.
Wie findet man aus der gesamten genomischen DNA, die bei Menschen etwa 3 Milliarden Basenpaare umfasst, und auf der sich schätzungsweise 100.000 bis 140.000 Gene befinden, das eine wünschenswerte Gen. Die gesamte genomische DNA ist zu groß, um sie in eine Wirtszelle zu schleusen. Deshalb wird sie mithilfe von Restriktionsenzymen in kürzere Fragmente geschnitten, die anschließend in einen Vektor eingebaut werden. Die so erzeugte rekombinante DNA wird in die Wirtszellen, z.B. Escherichia coli Bakterien, eingeschleust, wodurch die Wirtszelle transformiert wird. Diese einzelnen Wirtszellen werden zu einer Kolonie vermehrt.
Jede Kolonie ist ein Klon identischer Zellen, umfasst also entsprechend viele Kopien eines winzigen Teils aus dem Genom. Auf diese Weise stellt man eine sogenannte Genbibliothek her, quasi eine Bibliothek, eine Sammlung von DNA-Fragmenten, die zusammen Teile oder die Gesamtheit eines Genoms eines Organismus umfassen. Von der gesamten genomischen Bibliothek stellt ein einzelner Bakterienklon, der nur ein einzelnes DNA-Fragment enthält wie hier abgebildet, natürlich nur ein Buch in dieser Bibliothek dar. Verwendet man Plasmide als Vektoren, sind etwa 700.000 Fragmente erforderlich, um eine Bibliothek des menschlichen Genoms herzustellen. Bei Viren, die deutlich größere DNA-Fragmente aufnehmen können, sind immerhin noch 160.000 Fragmente erforderlich.
Eine deutlich kleinere Genbibliothek lässt sich aus komplementärer DNA, abgekürzt cDNA, herstellen. Es handelt sich dabei um die komplementären Basenpaare der durch die Transkription erzeugten mRNA-Basensequenz. Warum eine solche durch cDNA erzeugte Genbibliothek so viel spezifischer nur einzelne DNA-Fragmente und auch solche mit dem gewünschten Gen umfasst, würde den zeitlichen Rahmen des eh schon sehr langen Videos sprengen. Das Video dazu verlinke ich euch an dieser Stelle.
Mithilfe einer Gensonde eines kurzen, radioaktiv markierten DNA-Fragmentes, das komplementär zum gewünschten Gen ist und sich so an diesen anlagern kann, dieses also sichtbar machen kann, kann das jeweilige Gen abschließend identifiziert werden. Für das Für und Wider von Gentechnik. Über die Möglichkeiten und Chancen einerseits und den Problematiken, den ethischen Fragen andererseits, ist an dieser Stelle leider auch kein Platz mehr.
Aber ich würde mich freuen. wenn ihr euch das Video dazu anguckt, was ich an dieser Stelle verlinke, ebenso wie die anderen von mir erstellten Videos zur Reihe Gentechnik. Weil dieses Video als grobe Zusammenfassung des Themenfeldes zu verstehen ist, wurden auch eine ganze Reihe an relevanten Fachbegriffen verwendet. Ich habe euch sie übersichtshalber an dieser Stelle nochmal alle aufgelistet und erläutert.