Was ist gentechnologie
Allgemein
I. 1. EinleitungI. 2. „Natürliche Gentechnik“I. 3.
Methoden der Gentechnik
Tierzüchtung
II. 1. Einleitung
II. 2. Tierzüchtung ohne Einsatz der Gentechnik
II. 3.
Tierzüchtung mittels Gentechnik
PflanzenzüchtungIII. 1. Einleitung
III. 2. Pflanzenzüchtung ohne Einsatz der Gentechnik
III. 3.
Pflanzenzüchtung mittels Gentechnik
Vorteile der Gentechnik
IV. 1. Im Bereich Pflanzenzucht
IV. 2. Im Bereich Umweltschutz
Anhang
Tabellen
Glossar
Quellenangabe
Was ist Gentechnologie?
Die Gentechnologie beinhaltet alle Methoden der Isolierung, Charakterisierung, Vermehrung und Neukombination von Genen. Insbesondere die Isolierung eines Genes aus einem Organismus und seine Vermehrung in einem anderem Organismus wird unter den Begriff „Gentechnologie“ gefaßt.
Die Gentechnologie wird aus einem Grund überhaupt möglich. Dieser Grund ist die Universalität des genetischen Codes. Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen sind sich sehr ähnlich. Diese Ähnlichkeit wird auf dem Niveau der Moleküle noch ausgeprägter. So sind z.B.
Hormone vieler Säugetiere mit denen des Menschen fast identisch (Bsp.: Zwischen den Eiweißmolekülen der Fliege und denen des Menschen besteht eine überraschende Übereinstimmung). Es wird nicht nur das gleiche „Alphabet“ verwendet, sondern es wird auch dieselbe „Sprache“ geschrieben. Aus diesem Grunde ist es möglich, daß man z. B. ein Stück Erbinformation, das die Bauanleitung für ein menschliches Wachstumshormon enthält, in ein Bakterium injiziert, welches das Bakterium veranlassen kann, menschliches Wachstumshormon zu produzieren.
„Natürliche Gentechnik“
Eine Form natürlicher Gentechnologie praktizieren Phagen. Die nicht lysierenden Lambda-Phagen übertragen die Phagengene in die ringförmige DNA des Darmbakteriums. Teilt sich das Bakterium, so wird die Phagen-DNA mitkopiert. Falls so aus dem infizierten Bakterium durch fortgesetzte Zellteilung Millionen von Bakterien (Klone) entstehen, so ist der Phage in gleicher Weise geklont worden. Interessant ist für dieses Verhalten, daß der Lambda-Phage nur etwa die Hälfte seines Erbmaterials benötigt. Die andere Hälfte kann Gene enthalten, die dem Bakterium sogar nützlich sind und damit auch indirekt dem Phagen.
Phagen können also wichtige Eigenschaften zwischen verschiedenen Bakterientypen transportieren.
Diese Eigenschaft nutzt man bei der Gentechnologie. Im Reagenzglas werden DNA-Sequenzen in das Phagengenom integriert und anschließend in Bakterien vermehrt. Der Phage wird als Vektor genutzt. Ein Vektor ist ein DNA-Vehikel, das den Transport von DNA-Sequenzen in das Zellgenom ermöglicht.
Ein weiteres Beispiel dafür, daß in der Natur mit „Gentechnik“ gearbeitet wird, ist das Bodenbakterium Agrobacter tumefaciens.
Es dringt über Verletzungen der Pflanze in dessen Gewebe ein und ruft im Bereich des Wurzelhalses der Pflanze Wurzelhalsgallen hervor. Außer diesen durch die Bakterien ausgelösten Wucherungen verändert das Agrobakterium den Stoffwechsel der Pflanzen, so daß besondere Eiweißmoleküle, die Opine, gebildet werden. Diese Opine dienen den Agrobakterien als Nährstoffe. Die genetische Information für die Bildung der Opine und der Gallen liegt nicht auf dem Bakteriengenom, sondern auf dem Ti-Plasmid. Es wird so genannt, weil es die Bildung der Pflanzenzelle bewirkt (Tumor-induzierend). Nach der Infektion der Pflanze durch das Bakterium wird ein Teil der Ti-Plasmid-DNA, die T-DNA (T = Transfer), in das pflanzliche Genom eingebaut.
Die T-DNA enthält zwei Gruppen von Genen. Gene, die den pflanzlichen Hormonhaushalt beeinflussen, regen das Gewebe zu einer vermehrten Zellteilung an, so daß Gallentumore entstehen. Die zweite Gruppe von Genen ist für die Synthese der Opine, die das Bakterium zum Wachstum benötigt, aber nicht selbst produzieren kann, verantwortlich. Die T-DNA wird von zwei kleinen DNA-Abschnitten, den „Border-Regionen“ begrenzt. Man kann die Gene, die auf der T-DNA liegen, gegen beliebige rekombinante Gene austauschen. Agrobacter betreibt also „Gentechnologie“, um sein Überleben zu sichern.
Methoden der Gentechnik
Restriktionsenzyme/Klebrige Enden (sticky ends)/Plasmide
Im Jahre 1970 wurde zufällig ein Bakterium-Enzym entdeckt, das in der Lage war, Fremd-DNA an bestimmten Stellen in Bruchstücke zu zerlegen. Heute sind über 100 dieser Restriktionsenzyme im Handel. Sie erkennen ihre Schnittstelle auf dem DNA-Doppelstrang an einer Sequenz von 4 bis 6 Basenpaaren. Manche Restriktionsenzyme trennen ihre Schnittstelle versetzt, so daß an den DNA-Fragmenten kurze einsträngige Enden überstehen. Diese einsträngigen Enden neigen dazu, sich mit komplementären Einzelstrangabschnitten zusammenzulagern. Sie werden deshalb klebrige Enden (sticky ends) genannt.
Restriktionsenzyme sind die Werkzeuge der Gentechniker. Man mischt isolierte DNA unterschiedlicher Herkunft und behandelt sie mit Restriktionsenzymen, wodurch DNA-Stücke mit klebrigen Enden entstehen. Im Gemisch kommt es zur zufälligen Zusammenlagerung unterschiedlicher DNA-Fragmente. Durch Zugabe des Enzyms DNA-Ligase werden die neukombinierten DNA-Fragmente fest verknüpft.
Um ein isoliertes Gen in ein Bakterium einzuschleusen, benutzt man bakterielle Plasmide (das sind kleine DNA-Ringe, die nur wenige Gene tragen und die Zellmembran passieren können). Die Plasmide werden isoliert und mit einem Restriktionsenzym an einer Stelle geöffnet.
Dazu gibt man das isolierte Gen mit dem entsprechenden klebrigen Ende und fügt die verknüpfende DNA-Ligase hinzu. Es entstehen rekombinierte Plasmide, die mit einer Wirtszelle durch Weitergabe an die Tochterzellen vermehrt werden. Um die transgenen Bakterien zu bestimmen, nimmt man als Ausgangsplasmid einen DNA-Ring, der als Marker ein Gen für eine spezifische Antibiotikaresistenz trägt. Am Ende des Versuchs gibt man das betreffende Antibiotikum zur Bakteriumkultur. Es überleben dann nur die Bakterien, bei denen ein Einschleusen des Plasmids erfolgte. Diese werden vermehrt, und man prüft, ob sie das gewünschte Produkt herstellen.
Sense-Orientierung
In der Grundform besteht ein Gen aus zwei wesentlichen Einheiten, dem Promotor und der eigentlichen Informationseinheit, der codierten Region. Der Promotor bestimmt, zu welchem Zeitpunkt und an welchem Ort das Gen aktiviert wird, während die codierte Region das Produkt, das gebildet wird, bestimmt. Bei der Sense-Orientierung (vorwärts) von Promoter und codierter Region wird sie ordnungsgemäß abgelesen. Man kann nun den Promotor und die codierte Region verkehrt herum fusionieren (Antisense). Die Folge ist, daß das normalerweise von diesem Gen codierte Protein nicht mehr gebildet wird. Auf diese Weise können Stoffwechselprozesse an ausgewählten Stellen blockiert werden.
Bei der „Antimatsch-Tomate“ zum Beispiel wurde die Produktion eines Enzyms reduziert, das normalerweise zum Erweichen der Zellwand während der Fruchtreifung beiträgt.
Tierzüchtung
Seit ungefähr 11.000 Jahren gibt es Nutztiere in Mitteleuropa. Vor rund 11.000 Jahren machte sich der Mensch das Schaf zum Nutztier. Seit 8.
000 Jahren gehören das Rind, das Schwein, die Ziege und der Hund auch zu den Nutztieren. Das Pferd ist erst seit 5.000 Jahren ein Nutztier.
Ihr Hauptnutzen liegt gestern wie heute in der Nahrungsmittelproduktion. Ihre Bedeutung als Arbeitstiere ist infolge der Motorisierung stark zurückgegangen und wurde durch ihre Bedeutung als Freizeitgerät ersetzt.
Seit jeher versuchte der Mensch, erst durch unbewußte, später durch bewußte Selektion und Züchtung, die Anzahl der Nutztiere und ihre Leistung zu verbessern.
Ihre Züchtung und Kreuzung ist schwieriger als bei Pflanzen, weil zu wenig Einzelwesen vorhanden sind. Diese benötigen eine zu lange Entwicklungszeit und haben eine geringe Anzahl an Nachkommen. Darüber hinaus sind die Unterhaltungskosten zu hoch.
Trotzdem gab es große Leistungsverbesserungen gegenüber den Wildformen (z.B. Steigerung der Milchjahresleistung von 600 auf über 4.
000 Liter im Jahr).
Tierzüchtung ohne Einsatz der Gentechnik
Die Industrialisierung der Landwirtschaft hat auch ihren Nutztierbestand erfaßt, und seit etwa 20 Jahren konkurrieren althergebrachte Züchtungsmethoden mit einer zunehmenden Palette an biotechnologischen Verfahren. Wichtigste Bestandteile gegenwärtiger Zuchtprogramme sind die künstliche Besamung, die bei den Rindern die natürliche Paarung fast vollständig verdrängt hat, der Embryotransfer, der auch Biotechniken wie die Teilung von Embryonen (Embryosplitting), die Geschlechtsbestimmung und die in vitro-Fertilisation (künstliche Befruchtung im Reagenzglas) umfaßt, sowie die Kryokonservierung, d. h. die Tiefkühllagerung von Embryonen. Dies soll zur Verbesserung der Tierbestände führen, da die genetische Vielfalt durch ein größeres Angebot an Zuchttieren gesteigert und die Einschleppung von Tierseuchen reduziert wird.
Die aufgezählten Verfahren haben gemeinsam, daß kein gezielter Eingriff in das genetische Material vorliegt und die Vererbung der Gene deshalb ausschließlich den natürlichen Regeln folgt.
Ein Beispiel:Um die Erbanlagen einer hochleistungsfähigen Zuchtkuh rascher zu vermehren, wird die Methode des Embryotransfers gewählt. Man injiziert der Zuchtkuh Hormone, die einen mehrfachen Eisprung auslösen. Bei der künstlichen Befruchtung durch ausgewählte Zuchtbullenspermien entwickeln sich so bis zu 20 Embryonen, die nach einer Woche aus der Gebärmutter ausgespült werden. Die Embryonen werden Ammenkühen (d.h.
Kühe die mit einem sterilen Männchen gepaart wurden und so den Hormonzyklus einer schwangeren Kuh aufweisen, aber in Wirklichkeit „scheinschwanger“ sind) eingesetzt. Die Ammenkühe tragen die Embryonen normal aus.
Die Einführung der Gendiagnostik beim Menschen brachte auch Fortschritte für die Züchtungsbiologie, da sich mit den DNA-Analysemethoden die Weitergabe einzelner Gene bei Kreuzungen genau verfolgen läßt und eine gezielte Züchtung ermöglicht. Außerdem konnten phänotypische Eigenschaften wie Milch- oder Fleischzusammensetzung definierten DNA-Sequenzen zugeordnet werden. So waren damit alle Voraussetzungen gegeben, um ausgewählte Gene gezielt in das Genom von Tieren einzuschleusen.
Tierzüchtung mittels Gentechnik
Das Grundprinzip bei der Erzeugung transgener Tiere besteht nun darin, daß alle Zellen, einschließlich der Keimzellen, das rekombinierte Genom in stabiler Form enthalten, damit die neugewonnenen Eigenschaften weiter vererbt werden können.
Gegenwärtig haben sich zwei verschiedene Methoden herauskristallisiert, die Mikroinjektion von DNA in die befruchtete Eizelle und der Gentransfer mit Retroviren während des embryonalen Frühstadiums.
Mikroinjektion mit DNA
Die größte Erfahrung beim Gentransfer in Tiere besteht in der Mikroinjektionstechnik. Als Ausgangsmaterial dienen isolierte Embryonen im Ein-Zell-Stadium (Zygoten) und DNA, die nach gentechnischen Standardverfahren (siehe Methoden der Gentechnik) so modifiziert wird, daß sie neben dem neu einzuführenden Gen auch einen Promoter (Abschnitt zur Regulation der Genaktivität im Empfängerorganismus) enthält. Um eine ausreichende Zahl von Zygoten zu gewinnen, werden den weiblichen Tieren Hormone verabreicht, die eine gesteigerte Produktion von Eizellen anregen (siehe Beispiel aus Tierzucht ohne Gentechnik). Nach der Befruchtung derart vorbehandelter Weibchen können bis zu 20 Zygoten ausgespült werden. Nach der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle bleiben beide Zellkerne als sogenannte Vorkerne für kurze Zeit getrennt in der Zygote, bevor sie sich zu einem Zellkern vereinigen.
Während dieser Zeitspanne wird die fremde DNA in den meist größeren väterlichen Vorkern injiziert. Dazu benutzt man eine Glaskapillare, mit so einem kleinen Durchmesser, daß keine bleibenden Schäden an der Zelle auftreten, als Injektionsnadel. Der gesamte Vorgang erfolgt unter mikroskopischer Kontrolle mit sogenannten Mikromanipulatoren (aufwendige Geräte zur Steuerung der mechanischen Abläufe bei der Injektion). Bis zu 60% der Zygoten überleben die Mikroinjektion. Diese Embryonen werden dann mikrochirurgisch in den Eileiter eines scheinschwangeren Ammentieres (siehe Beispiel aus der Tierzüchtung ohne Gentechnik) implantiert und müssen nach der Geburt auf ihren transgenen Status untersucht werden. Mit Hilfe der Gendiagnostik kann in der DNA, die aus Gewebe- oder Blutproben der Jungtiere gewonnen wurde, das eingebaute Fremdgen nachgewiesen werden (bis zu 20% haben es).
Die Position an der das neue Erbmaterial in das Genom integriert wird, kann bei dieser Methode nicht kontrolliert werden, so daß der Zufall entscheidet, ob eine günstige Plazierung und somit eine starke Ausprägung der gewünschten Eigenschaft oder eine ungünstige Plazierung und somit erhebliche Störungen der Genregulation und krankhafte Defekte, vorliegt.
Gentransfer mit Retroviren:
Bei der zweiten Methode werden Retroviren als Vektoren für Fremd-DNA zur Herstellung transgener Tiere benutzt. Für den Gentransfer nutzt man die natürliche Fähigkeit dieser Viren aus, die Zellwand der Wirtszellen zu durchdringen und zur Vermehrung die viruseigenen Nucleinsäuren in das Wirtsgenom stabil zu integrieren, so daß mit jeder Zellteilung auch die viralen Gene vervielfältigt werden. Im Gegensatz zum üblichen Informationsträger DNA, für die Kodierung des Erbguts, besteht das genetische Material der Retroviren aus RNA, weshalb der direkte Einbau in die DNA der infizierten Zelle nicht möglich ist. Ein zusätzlicher Kopiervorgang mit dem viruseigenen Enzym Reverse Transkriptase schreibt deshalb zunächst die RNA-lnformation in ein entsprechendes DNA-Molekül um (dies druckt die Vorsilbe Retro im Namen dieser Virusklasse aus) und löst dadurch die Aufnahme in das Genom des Wirtes aus. Für die Infektion embryonaler Zellen werden ausschließlich defekte, mit gentechnischen Methoden modifizierte Retroviren eingesetzt, die sich nur noch unter definierten Laborbedingungen in das Genom des Wirtes integrieren können.
Zusätzliche Klonierungsschritte ermöglichen den Einbau von Fremdgenen, so daß diese rekombinante Viren als Vektoren für den Gentransfer dienen. Als Empfänger für die neue Erbinformation verwendet man im allgemeinen sogenannte embryonale Stammzellen, die sich aus Embryonen im Acht-Zell-Stadium von schwangeren Tieren gewinnen lassen. Nach der Entfernung der Eihülle können die einzelnen Zellen in Kulturschalen vermehrt sowie zum gewünschten Zeitpunkt mit der Viruslösung zusammengegeben und dadurch infiziert werden. Die Kontrolle einer erfolgreichen Infektion kann mit den Methoden der DNA-Diagnostik bereits auf zellulärer Ebene in der Kulturschale erfolgen. Transgene embryonale Stammzellen überführt man durch Mikroinjektion in eine Blastozyste (ein bereits im Uterus eingenisteter Embryo im frühen Wachstumsstadium), die nur kurzzeitig aus dem schwangerem Tier entfernt und nach der Manipulation sofort wieder reimplantiert wird. Die neugeborenen Tiere haben formal vier Eltern: Vater und Mutter des ursprünglichen Embryos sowie das Elternpaar, das die Stammzellen gespendet hat.
Ob bei dieser chimären Genvielfalt ein transgenes Tier mit den gewünschten Eigenschaften entstanden ist, muß wie bei dem Beispiel der Mikroinjektion durch DNA-Analysen festgestellt werden.
Beispiel:
Die Strategien zur Herstellung größerer und schneller wachsender Tiere basieren auf einer gesteigerten Biosynthese des Wachstumshormons, was durch den Transfer von zusätzlichen Genkopien des Hormons oder durch gentechnisch verbesserte Promotoren erreichbar ist. Das Verfahren wurde beim Schwein angewandt und die Resultate in zwei aufeinanderfolgenden transgenen Generationen untersucht. Die „Riesenschweine“ wiesen tatsächlich einen überdurchschnittlichen Anstieg in der täglichen Gewichtszunahme durch eine optimale Futterverwertung bei einer gleichzeitigen Reduktion des Fettansatzes auf. Der stetig hohe Hormonspiegel im Blut der transgenen Tiere führte aber zu Krankheiten wie Gelenkdeformationen, Arthritis (Gelenkentzündung) und Herzschwäche.
Pflanzenzüchtung
Schon seit der Steinzeit versucht der Mensch, Pflanzen auf Basis von Kreuzung, Mutation und Auslese zu züchten.
Dies läßt sich darauf zurückführen, daß der Mensch bestrebt war, die Qualität, den Widerstand gegen Krankheit und den Ertrag der Nutzpflanzen stetig zu verbessern (dies läßt sich auch auf die Tiere anwenden). Auf diese Weise sind aus den ursprünglich vorhandenen Wildpflanzen die heutigen, ertragreichen und maschinell bearbeitbaren Kulturpflanzen hervorgegangen. Ein Beispiel ist dafür der Kohl: Man hat aus dem in der freien Wildnis vorkommenden Wildkohl viele verschiedene Arten des Kohls gezüchtet, so z.B. den krausblättrigen Grünkohl, den Kopfkohl (Wirsing), den Rosenkohl, den Kohlrabi und den Blumenkohl.
Man verfolgt in der modernen Pflanzenzucht die gleichen Ziele wie früher.
Dazu gehören die Anpassungsfähigkeit an trockene Standorte und die Resistenz gegen Herbi- Insekti- und Fungizide. Der Aspekt der Umweltverträglichkeit spielt in der modernen Pflanzenzucht auch eine große Rolle.
Pflanzenzüchtung ohne Einsatz der Gentechnik
Individualauslese
Über Jahrtausende haben die Menschen aus ihren angebauten Pflanzen die kräftigsten und ertragreichsten Einzelpflanzen ausgewählt. Deren Samen wurden im nächsten Jahr ausgesät. Durch diese Auslese wurden die Pflanzen langsam, aber stetig den Bedürfnissen des Menschen angepaßt. Ein Beispiel dafür ist die Zuckerrübe: Die Runkelrübe hatte ursprünglich einen Zuckergehalt von 3% bzw.
4%. Man gewann durch die Auslesezüchtung, wie die Individualauslese auch genannt wird, einen Zuckergehalt von über 20%.
Kombinationszüchtung
Die wissenschaftliche Grundsteinlegung der Pflanzenzüchtung entstand durch Mendel, der die Grundlagen der Vererbung entdeckte. Seit dieser Zeit wurden ausgewählte Pflanzen gezielt miteinander gekreuzt, um aus deren Nachkommen die besten auszuwählen, die man wiederum kreuzen oder gezielt vermehren kann. Unter dem Begriff Kombinations- oder Kreuzungszüchtung versteht man die Kreuzung einer Art mit unterschiedlichen Merkmalen. Die Generation, die beide Merkmale enthalten soll, wird anschließend durch Auslese und weitere Kreuzung dem Zuchtziel entsprechend verändert.
Ein Beispiel dieser Züchtungsmethode ist der Panzerweizen. Er enthält die Eigenschaften Winterhärte und Ertragsfähigkeit. Der Panzerweizen ist eine Kreuzung aus einer Schwedischen Weizensorte (frostresistent, aber wenig ertragreich) und einem Englischem Weizen (ertragreich, aber sehr kälteempfindlich). Die Kombinationszüchtung wird bei Selbstbefruchtern bevorzugt, denn bei ihnen führt dieses Verfahren relativ rasch zum Ziel.
Mutationszüchtung
Bei der Mutationszüchtung wird das genetische Material mit Röntgen- und Neutronenstrahlen, Kälte- oder Wärmeschocks oder mit Chemikalien verändert. Die dadurch zufällig entstehenden Mutanten werden auf Stabilität und Leistungsfähigkeit getestet.
Der Nachteil dieser Methode ist, daß nur ein sehr kleiner Teil der Mutanten sich für die Weiterzüchtung eignet, da die meisten der Mutanten während der Veränderung zugrunde gehen. Trotzdem gelang es auf diese Art und Weise, die Nektarine herzustellen.
Pflanzenzüchtung mittels Gentechnik
Man kann sich die Omnipotenz von Pflanzen zunutze machen, um aus ihnen mehr Pflanzen zu züchten. Die Fähigkeit vieler Pflanzen, daß aus Gewebeteilen, Einzelzellen oder Protoplasten wieder ganze Pflanzen entstehen können, nennt man Omnipotenz. Folgendes Beispiel erläutert diese Methode: Man entnimmt einer Pflanze Meristemzellen (so wird das teilungsfähige Gewebe der Pflanzen genannt) und regeneriert Kalli, indem man sie auf ein Nährmedium gibt. Ein Kallus ist ein „Haufen“ von Pflanzenzellen ohne Differenzierung, d.
h. die Meristemzellen vermehren sich, ohne spezielle Pflanzenteile zu bilden. Meristemzellen sind meistens frei von Viren oder Bakterien und sind daher als Ausgangsmaterial zur Züchtung optimal geeignet. Durch Zugabe von Pflanzenhormonen, sogenannten Phytohormonen, können aus den Kalli wieder neuartige Pflanzen entstehen. Diese neuartigen Pflanzen gleichen von ihrer genetischen Ausstattung her den Ausgangspflanzen, aus denen man die Meristemzellen gewonnen hat, sie wurden geklont. Dieses Verfahren hat zwar nicht direkt mit Gentechnologie zu tun, zeigt aber, daß man mit dieser Methode schon versucht hat, den wachsenden Bedarf an Nutzpflanzen zu decken.
Man kann zur Transformation von Genen zwei unterschiedliche Verfahren benutzen: Je nach Pflanzentyp kommt die indirekte bzw. die direkte Genübertragung in Frage.
Die indirekte Genübertragung erfolgt mit Hilfe des Agrobakteriums, das „natürliche Gentechnik“ betreibt. Diese Eigenschaft macht man sich nun gezielt zunutze. Die Gene, die man übertragen möchte, werden in das Ti-Plasmid des Agrobakteriums integriert. Da man eine Tumorbildung bei den entstehenden transgenen Pflanzen vermeiden will, müssen die für die Tumorbildung verantwortlichen Gene, die auf dem Ti-Plasmid liegen, entfernt werden.
Man benutzt also ein entschärftes Ti-Plasmid zur Übertragung von Fremdgenen. Dabei wird ein Teil der T-DNA mit Restriktionsenzymen herausgeschnitten und die Fremd-DNA wird an dieser Stelle eingebaut. Das veränderte Agrobakterium wird dann zur Infektion der Pflanze verwendet.
Die Möglichkeit des Gentransfers durch das Agrobakterium ist auf die Wirtspflanzen des Bakteriums beschränkt, d.h. es befällt nicht alle Pflanzensorten.
Deswegen hat man sich eine andere Methode einfallen lassen, damit der Gentransfer stattfinden kann: Man infiziert Protoplasten mit dem veränderten Ti-Plasmid. Die Protoplasten werden dann in das Genom der Wirtszelle eingebaut. Man überträgt mit dem veränderten Gen meist auch ein Markergen, damit die veränderten Pflanzen selektiert werden können. Aus den Protoplasten kann man nun Pflanzen regenerieren. Hierbei wird die Omnipotenz der Pflanzen genutzt. Diese Methode ist nicht bei allen Pflanzen anwenden.
Bei den Pflanzen, die sich nicht durch Protoplasten regenerieren lassen, benutzt man das Verfahren der direkten Genübertragung, die sogenannte Gen-Kanone: Gold- oder Wolframpartikel werden mit der einzubringenden DNA beschichtet und durch die Gen-Kanone mit hohen Geschwindigkeiten in die Pflanzenzellen hineingeschossen. Man trägt ein Mikroprojektil auf ein größeres Geschoß, dem Makroprojektil, auf. Das Makroprojektil wird abgeschossen und beim Aufprall auf eine Sperrplatte abrupt gebremst. Dadurch löst sich das Mikroprojektil von dem Makroprojektil, bleibt an dem Stahlsieb hängen, wobei die Partikel mit der einzubringenden DNA mit Wucht in die Zielzelle eindringen. Der Einbau der Fremd-DNA ist bei dieser Methode zufällig und nicht zielgerichtet. Ob das eingeschossene Gen auch funktioniert, ist von vielen verschiedenen Faktoren abhängig.
Dabei spielt die Unversehrtheit der Fremd-DNA eine ebenso große Rolle wie die Unversehrtheit der beschossenen Zellen. Ist dieser Versuch geglückt, müssen aus den beschossenen Zellen wie bei den Kalli ganze Pflanzen regeneriert werden, indem man die Omnipotenz der Zellen nutzt.
Vorteile der Gentechnik im Bereich Pflanzenzucht
Versuche zur Ertragsverbesserung
Biologische Stickstoffixierung
Stickstoff ist ein lebenswichtiger Baustein für alle Lebewesen. Leider können Pflanzen den Stickstoff aber nicht aus der Luft aufnehmen, sondern nur über die Wurzeln in Form von Nitraten oder Ammonium. Der Ertrag auf den Feldern ist deshalb direkt mit der Intensität der entsprechenden Stickstoffdüngung gekoppelt. Die Herstellung des Stickstoffdüngers verbraucht sehr viel Energie, so daß hohe Kosten für den Landwirt entstehen.
Außerdem verseuchen die Nitrate das Trinkwasser. Eine Verringerung der weltweiten Produktion von ca. 75 Mill. Tonnen Stickstoffdünger jährlich wäre deshalb wünschenswert.
Im Gegensatz zu den höheren Pflanzen haben manche Bakterien die Fähigkeit, Stickstoff direkt aus der Luft aufzunehmen. Daraus zieht z.
B. die Erbse ihren Nutzen, in dem sie sich die sogenannten Knöllchenbakterien als Symbionten hält.
Es gibt verschiedene gentechnologische Forschungsansätze mit dem Ziel, andere Nutzpflanzen als die Erbse zur biologischen Stickstoffixierung zu befähigen:
Eine Methode ist die Übertragung der für die Stickstoffixierung notwendigen bakteriellen Gene direkt in die Pflanze. Dies ist bereits gelungen, die Gene sind auch aktiv, aber ihre Produkte, insbesondere das Enzym Nitrogenase, arbeiten in den Pflanzen in Gegenwart von Sauerstoff nicht. Das zeigt, daß die Übertragung von Genen aus einem Organismus in einen anderen nicht ohne weiteres erwarten läßt, daß deren Produkte dann dort funktionieren. Wesentlich vielversprechender ist der Versuch, die Bakterien so zu verändern, daß sie eine Symbiose auch mit anderen Wirtspflanzen eingehen.
Resistenz gegen Herbizide, Schädlinge, Kälte etc.
Zur Zeit sind über 800 verschiedene Herbizide auf dem Markt. Herbizide kommen zum Einsatz, um sogenanntes Unkraut auf Feldern zu vernichten. Das Herbizid darf die Nutzpflanze nicht angreifen. Viele Felder werden nach dem Prinzip der Fruchtfolge bestellt, d.h.
daß in aufeinanderfolgenden Jahren verschiedene Nutzpflanzen angebaut werden, die sich in ihren Resistenzen unterscheiden. Deshalb muß jeweils ein sehr spezifisches Pflanzengift gespritzt werden. Wenn es gelänge, alle Nutzpflanzen einer Fruchtfolge gegen das gleiche Herbizid resistent zu machen, dann könnte die Anzahl der existierenden Herbizidsorten reduziert werden. Dies könnte eine Standardisierung der Handhabung und damit größere Sicherheit hervorrufen. Man könnte mit der Gentechnik biologisch abbaubare Herbizide herstellen, die nicht mehr wie herkömmliche Herbizide das Grundwasser verseuchen.
Dem Argument, daß durch die Anwendung eines effektiven Herbizids (und sei es noch so leicht abbaubar), die Artenvielfalt auf dem Feld reduziert werde, ist entgegenzuhalten, daß der Flächenverbrauch der Landwirtschaft (bei gleicher Produktion) ohne Herbizide noch größer wäre und damit in der Gesamtbilanz der Naturverbrauch ebenso.
Mit Hilfe der Gentechnik können Pflanzen auch gegenüber tierischen Schädlingen und gegenüber Pilzbefall resistent gemacht werden. Bei vielen Nutzpflanzen könnte der Ertrag gesteigert werden, wenn es gelänge, sie an die jeweiligen Standorte und Witterungsbedingungen optimal anzupassen.
Vorteile der Genetik im Bereich Umweltschutz
a) Abfallbeseitigung
Die Bevölkerungsexplosion auf dieser Erde stellt uns nicht nur vor das Problem der Welternährung. Es stellt sich gleichzeitig die Frage, wie man versuchen kann, weniger Abfall zu produzieren. Man kann schon jetzt durch technologische Verbesserungen in vielen Bereichen diesem Problem gegensteuern.
Mikroorganismen zersetzen chemische Verbindungen in ihre Bestandteile oder wandeln sie um und tragen somit wesentlich zum Stoffkreislauf auf der Erde bei.
Der Mensch macht sich diese Fähigkeit der Mikroorganismen in vielfältiger Weise zunutze. In Kläranlagen werden die privaten und die industriellen Abwässer durch gezielt eingesetzte Mikroben gereinigt. Durch die Verwendung gentechnologischer Methoden könnte deren Effektivität verbessert werden. Wahrscheinlich könnten gentechnologisch veränderte Mikroorganismen auch auf Chemikalien angesetzt werden, die sich bisher noch einer biologischen Zersetzung entziehen.
b) Biologische Schädlingsbekämpfung
Ein anderes Umweltproblem ist die Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft. Hier spielt die chemische Bekämpfung noch eine sehr große Rolle.
Die Gentechnologie könnte in diesem Bereich sehr hilfreich sein. Mit folgendem Beispiel könnte dies geschehen:
Bacillus thuringiensis ist ein insektenpathogenes Bakterium, das vorwiegend gegen Raupen einsetzbar ist. Das von diesem Bakterium produzierte hochspezifische Insektengift wird von einem einzigen Gen codiert und könnte durch gentechnologische Methoden nicht nur in ausreichender Menge gewonnen, sondern auch in seinem Wirkungsspektrum so verändert werden, daß es Schädlinge abtötet und Nützlinge nicht angreift.
Gentechnisch hergestellte Arzneimittelwirkstoffe und Impfstoffe in Deutschland
Wirkstoff
Hauptindikation
Erkrankte in BRD
Erstzulassung
in der BRD
1.
Hum. DNAse
Mukoviszidose1
6.
000 - 8.000
09.1994
2.
Erythropoietin Alpha
Renale Anämie2
40.000
04.1993
3.
Erythropoietin Beta
Renale Anämie
40.000
05.1992
4.
Faktor VII.
(Eptacog Alpha)
Hämophilie3
4.400
02.
1996
5.
Faktor VIII.
Hämophilie
4.400
07.1993
6.
Follitropin Alpha
Ovulations-stimulation, In vitro-Fertilisation4
*
10.
1995
7.
Follitropin Beta
Ovulations-stimulation, In vitro-Fertilisation
*
10.1996
8.
G-CSF (Lenograstin)
Neutropenien (z.B. nach Chemotherapie)5
330.
000
10.1993
9.
G-CSF (Filgrastim)
Neutropenien (z.B. nach Chemotherapie)
330.000
08.
1994
10.
GM-CSF (Molgramostim)
Neutropenien (z.B. nach Chemotherapie)
330.000
04.1993
11.
Glucagon
Hypoglykämische Reaktion6
400.000
03.1992
12.
Glucocerebrosidase
Morbus Gaucher7
100 in BRD
06.1994
13.
IL-2 (Aldeskeukin)
Hypernephrom8
Keine in BRD
12.
1989
14.
Interferon Alpha 2a
Haarzell-Leukämie9
Keine in BRD
04.1993
15.
Interferon Alpha 2b
Haarzell-Leukämie
Keine in BRD
03.1993
16.
Interferon Beta 1b
Multiple Sklerose
120.
000
11.1995
17.
Insulin, Human
Diabetes Mellitus 110
400.000
12.1987
18.
Insulin, Lispro
Diabetes Mellitus 1
400.
000
05.1996
19.
T-PA (Alteplase)
Myokardinfarkt11, Thrombosen
130.000
04.1994
20.
R-PA (Reteplaste)
Myokardinfarkt, Thrombosen
130.
000
11.1996
21.
HGH (Hum. Wachstumshormon Somatropin)
Hypophysärer Kleinwuchs12
100.000
02.1991
22.
Hepatitis B-Antigen
Hepatitis B-Pävention
Ca 50.000 Infizierte
09.1989
23.
Hepatitis A/B Kombinationsimpfstoff
Hepatitis A/B-Pävention
k.A.
1996
k.
A.: Keine Angabe
* : Ca. jedes 10 Paar ist davon betroffen
1Mukoviszidose: Magenkrankheit
2Renale Anämie: Durch Niereninsuffizienz bedingte Blutarmut
3Hämophilie: Bluterkrankheit
4In vitro-Fertilisation: (siehe Referat, Seite 6)
5Neutropenien: Verminderung der Granulozyten (Form von weißen Blutkörperchen) im Blut
6Hypoglykämische Reaktion: Unterzuckerung
7Morbus Gaucher: Benannt nach Phillipe Gaucher. Die Krankheit verursacht Milztumor und Vergrößerungen der Leber Verfärbung der Haut und Spastik
8Hypernephrom: Nierenkrebs, häufigste Nierenkrebsart bei Erwachsenen
9Haarzell-Leukämie: Maligne (bösartige) Lympnknotenvergrößerung
10Diabetes Mellitus 1: Stoffwechselkrankheit, gesteigerte Ausscheidung von „honigsüßen“ (lat. Mellitus) Harn
11Myokardinfarkt: Synonym für Herzmuskelinfarkt
12Hypophysärer Klein- bzw. Minderwuchs: Unterentwicklung von Organen, da keine Ausschüttung von Wachstumshormonen aus der Hypophyse
Multiple Sklerose: Veränderung des Nervengewebes, die zu Ausfällen verschiedener Nervenleistungen führt
Glossar
Border-Region: Die T-DNA ist im Agrobakterium auf einem Plasmid angeordnet, auf dem sich außerdem die Genfunktionen finden, die für die Übertragung der T-DNA verantwortlich sind.
Die T-DNA wird begrenzt von zwei kleinen DNA Abschnitten, den sog. Border-Regionen. Da sämtliche Gene Agrobakteriums in das Pflanzengenom übertragen werden, die zwischen den beiden Border-Regionen liegen, ist es möglich, die Agrobakterien-spezifischen T-DNA-Gene gegen beliebige rekombinante Gene auszutauschen.
Chimäre: Ursprünglich griechisches Sagentier, das aus verschieden Tierkörpern bestand. Biologische Bezeichnung für Tiere, die durch die Mischung von zwei unterschiedlichen Embryonen im 8-Zell-Stadium entstanden sind (siehe Linder S.322).
Embryosplitting: Durch Teilung des Embryos und anschließende Aufzucht können aus einem Embryo Mehrlinge gewonnen werden.
Fungizide: Chemische Pilzvernichtungsmittel
Herbizide: Unkrautvernichtungsmittel
Hybrid: Anderer Name für Bastard
in vitro-Fertilisation: Künstliche Befruchtung im Reagenzglas (in vitro = im Glas).
Insektizid: Chemisches Mittel zur Bekämpfung von Schädlingen
Kallus/Kalli: „Haufen“ von Pflanzenzellen ohne Differenzierung
Kryokonservierung: Tiefkühllagerung von Embryonen
Lambda-Phage: Temperierte Phage, lysiert den Wirt nicht
Meristemzellen: Teilungsfähiges Gewebe der Pflanzen
Plasmid: DNA-Molekül, welches vermehrt werden und in unterschiedlicher Kopienzahl auftreten kann.
Protoplasten: Pflanzenzellen ohne Zellwand
Retroviren: Viren, deren Erbinformation aus einer einsträngigen Nukloeidkette besteht und vor dem Einbau von dem Enzym Reverse Transkriptase umgewandelt werden muß.
Reverse Transkriptase: Enzym, dient (beim Vorgang Reverse Transkription) zum Umschreiben von RNA in DNA.
Screening/Gendiagnostik: z.
B: Southern-Blot-Analyse zum Nachweis spezifischer DNA-Fragmente. Die DNA-Fragmente werden in einem komplizierten Verfahren auf eine Membran fixiert. Dazu gibt man radioaktiv markierte, zu der gesuchten Sequenz komplementäre Sonden (DNA-Einzelstrangfragmente). Nach Auswaschen der ungebundenen Sonden wird die Membran auf einen Röntgenfilm gelegt. Dort, wo die radioaktiven Sonden gebunden wurden, werden dunkle Striche sichtbar.
T-DNA: Auf Pflanzen übertragener Teil des Ti-Plasmids (Transfer-DNA).
Ti-Plasmid: Tumor-induzierendes Plasmid; siehe auch Plasmid.
Transgene Organismen: Pflanzen und Tieren kann man mit Hilfe gentechnischer Methoden Gene fremder Organismen in ihr Erbgut einbauen. Sie werden dann transgene Organismen genannt.
Vektor: „Genvehikel“, transportieren DNA-Sequenzen von einer Zelle in eine andere Zelle.Quellen
Gentechnik, die Wachstumsbranche der Zukunft
Hans Günter Gassen, Michael Kemme
Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt 10/1996
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1997, S.34 ff
Das Anwendungspotential der Planzengenomik
Jörg W.
Riesmeier, Bernd Müller-Röber
Gentechnologie: Wissenschaftliche Grundlagen, Anwendungsmöglichkeit
K.F.Fischbach, Institut für Biologie III der Universität Freiburg
Internetpublikation
Bevölkerungswachstum und Umweltbelastung durch die Landwirtschaft
Bessere Zukunftsaussichten mit Gentechnik?
Prof. Dr. Klaus Hahlbrock(Geringfügig veränderte Fassung eines Vortrags bei der Diskussionsveranstaltung „Forschung in Chemie, Biochemie und Molekularer Medizin - Zukunftschancen oder Verzicht“
Gesellschaft Deutscher Chemiker und Gesellschaft für Biologische Chemie, Bonn 1993Internetpublikation
Gentechnisch veränderte Pflanzen in der Landwirtschaft
GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Informationen. Umwelt, Neuherberg Sep.
1997
Internetpublikation
Gentechnik und Pflanzen - Aktuelle Entwicklungen
Martin Schrott, aus Neue Züricher Zeitung Online, Dossier Gentechnologie, Oktober 1997
Internetpublikation
Gentechnische Ansätze für die Landwirtschaft
Dr. Peter Meyer
Internetpublikation
Wissenschaftliche Grundlagen der Gentechnik
Internetpublikation
Dtv-Atlas zur Biologie Band 1 u. 2
Deutscher Taschenbuch-Verlag
München, 1967
Allgemeine Genetik
Thieme-Verlag
3. Auflage Stuttgart, 1989
Linder Biologie
Schrödel Schulbuchverlag GmbH 20. Auflage
Hannover, 1989
Biologie Sekundarstufe II
Schrödel Verlag 1988 Neubearbeitung
DNA-Referat von Christian Thomas, Sebastian Ochs
Bild der Wissenschaften 11/1997 S.63 ff
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