Referat Die Gentechnik

Anfang

Die Gentechnik hat es sich zur Aufgabe gemacht, Lebewesen aufgrund ihrer Erbinformationen zu verändern. Somit sollen bisher Krankheiten die bisher als unheilbar gelten endlich heilbar werden und auch bei Pflanzen sollen Manipulationen vorgenommen werden die z B. eine grö ere Wirtschaftlichkeit erreichen sollen.

Gentechnische Manipulationsmethoden

Klonieren

Die einfachste Methode der genetischen Manipulation ist das Klonen.

Bei den höheren Pflanzen kann man auf sehr einfache Art und Weise ein Kol erzeigen. Schneidet man einfach einen Zweig oder sogar nur ein Blatt einer Pflanze ab und pflanzt dieses in den Boden so kann daraus eine neue Pflanze entstehen. Bei Tieren verhõlt sich das anders, wenn man einem Frosch z B. einer Heuschrecke ein Bein abschneidet, dann kann man nicht erwarten, das sich daraus ein neuer lebensfõhiger tierischer Organismus entwickelt.

Hierbei werden z B. Frösche gez chtet die alle den gleichen Erbbrief besitzen. Dies geschieht indem man den Zellkern einer Eizelle eines Frosches durch den einer Kaulquappe ersetzt. Der enstehende Frosch wird dann genau den selben Erbbrief aufweisen wie die Kaulquappe. Bei wiederholter Durchf hrung des Experiments an anderen Fr schen mit den Zellkernen aus derselben Kaulquappe entstehen so mehrere Frösche mit identischen Erbinformationen.

Bei Fr schen ist diese Methode noch verh ltnism ig leicht zu realisieren, da Froscheier relativ groß sind und man mit einer spitzen Pipette den Zellkern mühelos entnehmen kann. Bei S ugetieren jedoch, sind die Eizellen viel kleiner und ihre Entwicklung findet im inneren des K÷rpers statt und somit ist es wesentlich schwieriger hier ein erfolgreiches Kloning durchzuf³hren. Jedoch kann man aus dem weiblichen Körper Eizellen entnehmen, sie im Reagenzglas befruchten und sie dann wieder zurückverpflanzen. Dieser Vorgang wird auch extrakorporale Befruchtung genannt und das Ergebnis dieses Vorgangs kann auch ein menschliches Baby sein. Dies ist dann ein sog. Retorten- Baby' .

Momentan  ist die Wissenschaft noch nicht imstande Menschen zu klonen. Was jedoch in einigen Jahren vielleicht möglich ist. Es w re z B. denkbar, das ein reicher Fu ballvereinsmanager Zellen von verschiedenen Weltstars nimmt und sich dann daraus eine Mannschaft von 1 Superspielern klonen lässt. Doch solche Vorstellungen gelten als abwegig oder sogar als Horror.

Das Klonen ist die einfachste Form der gentechnischen Manipulation.

Das eigentliche Ziel der Genetik liegt in der gezielten Manipulation von

Erbinformationen

Bevor man jedoch mit der DNA arbeiten kann, muß man sie zuerst in kleine Bruchst cke zerschneiden, da eine komplette DNA milliarden von Basenpaaren lang sein kann. Zur Trennung der DNA verwendet man Restriktionsendonucleasen, sog. Restriktionsenzyme.

Restriktionsenzyme

Diese Enzyme wurden von dem Schweitzer Arber und von den Amerikanern Smith und Wilson Ende der sechziger Jahre entdeckt. Nun war es m glich , DNA gezielt in kleinere Stücke zu zerschneiden und damit zu experimentieren. Zuvor war das Experimentieren mit DNA noch nicht möglich. Die Restriktionsendonucleasen wurden entdeckt als man bemerkte, das bestimmte Bakterien eindringende Fremd DNA z.B. Bakteriophagen DNA in viele kleine St cke schneiden k nnen und sich somit gegen solche bergriffe sch tzen können. Heutzutage sind etwa

0 dieser Enzyme bekannt. Der hauptsächlicher Unterschied zwischen

den verschiedenen Restriktionsenzymen liegt in der Art, wie sie die DNA zerschneiden. Manche erzeugen glatte Enden und bei manchen entstehen überstehende Einzelstrang Enden, da sie die DNA versetzt aufschneiden. Die verschiedenen Restriktionsendonucleasen erkennen verschiedene Nukleotidsequenzen. Diese variieren in Zusammensetzung und Länge. Erkennt ein Enzym z.B. eine bestimmte Folge von 4 Nukleotiden, so sind die entstehenden Fragmente im mittel 6 Basenpaare lang 4

1/Anzahl der m. Nukleotide ^Erkennungslänge).

Nach dem die DNA fragmentiert wurde, kann man die DNA Fragmente mit einem beliebigen anderen Fragment oder gar mit einem anderen DNA-Strang kombinieren. Dies geschieht ber die Ligasen. Diese Enzyme wirken wie ein Klebstoff, sie können wei Nucleinsäureketten miteinander verbinden in dem sie die Reaktion zwischen Zucker- und Phospahtresten f rdern. Es können aber beim schneiden der DNA durch die verschiedenartige Beschaffenheit der Restriktionsenzyme verschieden lange Enden entstehen. Diese sind aber nur komplementär zueinander, wenn beide mit dem gleichen oder mit einem

Restriktionsenzym  mit der gleichen Erkennungssequenz gespalten wurden. Wenn dies nicht der Fall ist, so muß mit Hilfe von Reperatur- Enzymen' eines der beiden Enden verlängert werden oder die ungepaarten Basen am längeren Ende mit Hilfe einer Exonuklease abgebaut werden. Sind die beiden Enden nicht komplementär obwohl sie die gleiche L nge besitzen, so werden beide Enden komplett abgebaut und es entstehen glatte Enden, gleich denen, die durch einige Restriktionsenzyme entstehen. Diese glatten Enden lassen sich aber nicht so ohne weiteres Verknüpfen. Hierzu wird die sog. Terminale Nukleotid- Transferase benötigt. Sie ergänzt mit Hilfe von Zucker, Phosphatresten und Basen einen Strang um ein Ende. Dabei baut sie gerade die Base ein, die zur Verf gung steht. Man kann diesen Vorgang nun insofern steuern, als daß man zu jedem Strang die Transferase und jeweils eine Basensorte gibt, die zu der Base mit der der andere Strang inkubiert wird komplement r ist. So entstehen z B. reine Cytosin-Enden , die dann reinen Guanin-Enden gegenüberstehen, und sich somit verbinden k nnen.

Mit  Hilfe der Restriktionsendonucleasen ist es den Forschern also m glich DNA in Stücke von bestimmter L nge zu zerschneiden und diese dann aufzutrennen. Sie fungieren quasi wie sehr feine und spezifisch schneidende Skalpelle.

Zwischen der Struktur der DNA zwischen Pro- und Eukaryonten gibt es wesentliche Unterschiede W hrend bei Prokaryonten die DNA quasi als fortlaufender Text geschrieben ist, existieren in der Eukaryontischen DNA sogenannte Nonsense-Abschnitte oder besser auch Introns genannt. Die in ihnen enthaltene Basenfolge wird im Gegensatz zu der in den Exons nicht abgelesen. Diese Introns bringt man mit der Evolutionsgeschichte in Zusammenhang und zugleich beweist diese Endeckung, das der Mensch nicht von Bakterien abstammen kann, da deren DNA keine Introns enthält.

Für die Verwendung zur gentechnischen Manipulation ist nur eine RNA zu verwenden. Eine eukaryontische RNA ist nicht f r gentechnische Manipulationen zu gebrauchen. Sie muß sich erst einem Vorgang unterziehen, der RNA-Splicing genannt wird. Hierbei werden die Introns aus der RNA herausgeschnitten und man erhält eine RNA die nur noch genetischen Code enthält, der auch tatsächlich abgelesen wird. Die entstandene 'gesplicte' - DNA ist nichts anderes als die bereits bekannte mRNA.

Der Forscher besitzt nun ein spezifisches RNA Fragment das nur aus Informationen besteht, die die Zelle auch wirklich ablie t und verwendet. W rde er eine Eukaryonten RNA ohne vorhergegangenes Splicing in einen Prokaryonten implantieren, so w rde dieser auch die Introns mit

ablesen , da ein Prokaryont keine Introns kennt und somit auch den Vorgang des Splicing nicht beherrscht. Doch mit dem vorliegenden RNA- Stück sind nun Manipulationen von Bakterien und Viren möglich.

Manipulationen von Bakterien

Die Methode des Einf gens von neuer DNA in Bakterien, wurde schon im vorherigen Referat besprochen und wird deshalb hier nicht weiter erläutert. Allgemein sei nur gesagt, daß die Forscher neue DNA in ein Plasmid einer Bakterienzelle einschleußen k nnen, und sie so zum z B. zum synthetisieren eines neuen Stoffes veranlassen k nnen.

Ein Beispiel : Zuckerr ben enthalten nicht nur den beliebten Zucker , die

_{Saccharose sondern sie enthalten auch noch Raffinose.}

Diese sowohl

Abbau

Raffinose stört beim Auskristallisieren des Zuckers. Man hatte nun in einigen Bakterien Plasmide entdeckt, die Saccharose als auch Raffinose abbauen können. Nun wurde das entsprechende Plasmid mit Hilfe von Restriktionsendonucleasen auseinandergeschnitten und so wieder zusammengesetzt, das die Information zum von Saccharose fehlte. Nun wurde dieses manipulierte Plasmid auch in andere Bakterien des gleichen Typs einge- schleußt. Alle so behandelten Bakterien bauten nun die Raffinose ab und ließen die Saccharose brig.

Der genetische Code ist universell, d h. das prinzipell DNA aus höheren Lebewesen in Bakterien unter Berücksichtigung der Introns, integriert werden kann. Jedoch brauch eine DNA aus einem anderen Lebewesen eine Expressions-Vektor um in einem Bakterium so eingebaut zu werden, das sie auch abgelesen wird. Diese Expressions-Vektoren sind Plasmide, die als Transportsystem f r die Fremd-DNA dienen und diese mit dem bakterienspezifischen Schalter' versehen, da eine DNA-Sequenz mit einem anderen Schalter als der dem Bakterium zugeh rige, nicht abgelesen würde.

Für  gentechnisch Manipulierte Bakterien gibt es viele Anwendungsgebiete, sowohl im wirtschaftlichen Bereich als auch im militärischen Bereich.

In der Landwirtschaft k nnten Nutzplanzen eingesetzt werden , die z B. resistent gegen Pestizide ,Umweltgifte und Krankheiten sind und auch unter extremsten Witterungsbedingungen gedeihen oder Pflanzen die

aufgrund eines verstärkten Wachstums mehr Ertrag abwerfen. Die gro e Gefahr bei Freilandversuchenn oder generell bei Versuchen mit genetisch ver nderten Organismen ist, das die manipulierte DNA in den Kreislauf der Natur einflie t. Dies kann zum Beispiel passieren, wenn eine gentechnisch manipulierte Ackerpflanze auf einem Versuchsfeld verottet und z.B. ihr Resistenzgen in die Umwelt gelangt und von Bakterien aufgenommen wird. Diese währen dann unter Umständen resistent gegen Antibiotika und damit wesentlich schwerer zu bek mpfen.

Neben solchen Versuchen gab es oder gibt es auch noch z t. geheime Labors, die meist im Auftrag vom Militär offensive Genforschungen betreiben. In solchen Labors werden gentechnisch ver nderte Krankheitserreger produziert sog. B Waffen. Die internationale B- Waffen Konvention von 9 2 erlaubt die Forschung an solchen Waffen sogar ausdr cklich. Hier werden unter Hochsicherheitsvorkehrungen humanpathogene Bakterien und auch Viren gentechnisch Verändert und verbessert' d.h. noch gefährlicher gemacht. So werden ihnen z B. Resistenzgene gegen erschiedenen Antibiotika eingepflanzt

Behandlung von Krankheiten

Zur Behandlung von Krankheiten , die durch einen Gendefekt hervorgerufen werden, muß ein funktionsfähiges Gen in eine Zelle eingefügt werden, bei der dieses Gen aktiv ist. Bei solchen Experimenten werden grundsätzlich keine Veränderungen an Zellen der Keimbahn vorgenommen. Das bedeutet, das die Ver nderung mit dem Individuum stirbt.

Wesentliche Vorraussetzung f r den Erfolg von solchen Gentherpien ist der selektive Gentransfer. Das gesunde Gen muß in spezifische Zellen gebracht werden, damit es das dortige kranke Gen ersetzten kann. Dazu dienen Viren. Je nach Art des Virus infiziert er nur bestimmte Körperzellen und es lassen sich Fremdgene in seine Erbsubstanz einbauen.

Zum Transport der gewünschten genetischen Information werden sog. rekombinante Retroviren benutzt. Diese Viren koppeln mit der Zellmembran und synthetisieren dann ein Protein das als Reverse- Transkriptase' bezeichnet wird. Dieses Protein bewirkt, das die Viren- RNA zu einer Doppelstrang-DNA umgebaut wird.

(G.M S. S. 2)

Danach integriert der Virus sein eigenes Genom + das Fremdgen. Der Lebenszyklus des Virus endet hier, da sein Genom gentechnisch auf ein Minimum reduziert und so konstruiert wurde, das keine Nachkommenviren entstehen k nnen. Somit ist die gewünschte DNA- Sequenz in die Zelle gelangt und kann dort nun verwendet werden. Ein

gro es Problem ist jedoch die Tatsache, das Retroviren nur Zellen infizieren die noch teilungsaktiv sind. Die meisten hochdifferenzierten Zellen aber, teilen sich nur ncoh selten.

Weitere M glichkeiten der Gentechnologie

Die Gentechnologie bietet in der Theorie nahezu unbeschränkte

M glichkeiten zur Behandlung von bisher unheilbaren Krankheiten.