Gentechnik

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Einleitung

Gentechnik oder Gentechnologie (englisch genetic engineering), Verfahren zur gezielten Veränderung der genetischen Eigenschaften eines Organismus durch Eingriffe in dessen Erbinformation.

In der Gentechnik wird fremde DNA (siehe Nucleinsäuren) in das Genom einer Zelle oder eines Organismus eingeschleust. Dabei werden DNA-Moleküle verschiedener Individuen derselben Art oder verschiedener Arten miteinander kombiniert; man spricht daher auch von DNA-Rekombinationstechnik. Bei der Übertragung von DNA spielen die natürlichen Schranken der Artgrenzen keine Rolle. Die DNA einfacher Lebewesen, wie Bakterien oder Viren, wird in gentechnische Verfahren ebenso einbezogen wie die höherer Organismen. Übertragen werden meist komplette Gene, die dem Empfängerorganismus neue, erwünschte Eigenschaften vermitteln. So können beispielsweise durch Genübertragung Nutztiere oder Nutzpflanzen an ein ihnen ungewohntes Milieu angepasst werden (Resistenz gegen Kälte oder Parasiten).

Durch Transfer von Genen in einfach und kostengünstig zu vermehrende Organismen (Bakterien, Hefezellen) lassen sich bestimmte Stoffe (Wachstumshormone, Antibiotika und andere) in großen Mengen und zu günstigen Konditionen herstellen. Die Pharmaindustrie hat daher großes Interesse an gentechnischen Verfahren. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die medizinische Gentherapie, bei der intakte Gene zu Heilzwecken in Zellen oder Gewebe eingeschleust werden.

Um Gene auf andere Organismen übertragen zu können, müssen sie zunächst aus dem Spendergenom isoliert werden. Dazu bedient man sich der so genannten Restriktionsenzyme (Restriktionsendonucleasen) aus bestimmten Bakterien, die als natürliche Abwehr gegen fremde DNA (z. B. von Viren) gebildet werden. Restriktionsendonucleasen haben die Eigenschaft, DNA an definierten Stellen aus Vierer- oder Sechser-Nucleotidsequenzen auseinanderzuschneiden. Diese DNA schneidenden Enzyme, von denen man mehrere Hundert verschiedene Varianten kennt, sind ein entscheidendes Hilfsmittel, genau dasjenige DNA-Fragment zu isolieren, auf dem sich das gesuchte Gen befindet. Ist das DNA-Stück mit dem Gen gefunden, wird es mit Hilfe des Enzyms Ligase an eine andere, längere DNA-Sequenz gekoppelt, die das Gen in die Zielzelle transportieren soll. Diese DNA wird als Genfähre oder Vektor bezeichnet. Häufig verwendete Vektoren sind Nucleinsäuren von Viren oder Plasmide (das sind kleine, außerhalb des Bakteriengenoms gelegene DNA-Ringe). In ihnen liegen Antibiotika-Resistenzgene, die nach der Integration des Gens funktionsuntüchtig werden und daher als Erfolgskontrolle für den Einbau dienen.

Mit Hilfe einer Genfähre wird das Gen, an dessen Produkt oder Wirkung man interessiert ist, auf einen anderen Organismus übertragen. Auf diese Weise konnte z. B. das Gen für Humaninsulin in Bakterienzellen eingeschleust werden, die dann das für Diabetiker lebenswichtige Hormon produzierten. Durch Vermehrung der Bakterien können beliebig viele identische Kopien des übertragenen Gens hergestellt werden; diese Technik, ein fremdes Gen in eine Zelle einzubauen und es zu vervielfältigen, bezeichnet man als Klonen. Eine andere Methode, identische Kopien eines DNA-Abschnitts in großer Zahl herzustellen, ist die Polymerasekettenreaktion (englisch PCR für polymerase chain reaction). 2000 wurde erstmals auf gentechnischem Weg Hämoglobin im Labor hergestellt; dies wurde als wichtiger Teilerfolg auf dem Weg zu künstlichen Blutkonserven gewertet.

Gene können auch gezielt ausgeschaltet werden, etwa bei Tieren, um Tiermodelle zur Erforschung menschlicher Krankheiten zu erhalten. So wurde bei manchen der so genannten Knock-out-Mäuse (knock out hier im Sinn von ausschalten) z. B. das Gen für einen Blutgerinnungsfaktor deaktiviert, um an den Tieren Hämophilie zu erforschen. Anhand anderer Mausmodelle wurden u. a. die genetischen Grundlagen von Hypertonie (Bluthochdruck) und Mukoviszidose erforscht. Das Genom der Mäuse wird manipuliert, indem man einem frühen Embryonalstadium (einer Blastozyste) Stammzellen entnimmt. In die Kerne dieser Stammzellen werden im Labor hergestellte DNA-Sequenzen eingefügt. Diese Sequenzen enthalten das inaktivierte Gen mit seinen benachbarten DNA-Abschnitten und zusätzlich ein Gen, das Resistenz gegen ein Antibiotikum verleiht. In einem als homologe Rekombination bezeichneten natürlichen Vorgang wird die künstliche DNA von einem Teil der Stammzellen in ihr Erbgut eingefügt. Die Zellen, bei denen dies gelungen ist, werden mit Hilfe des Resistenzgens ausgelesen: Man setzt alle Zellen dem betreffenden Antibiotikum aus, wobei nur diejenigen mit dem Resistenzgen überleben. Die ausgelesenen Zellen werden in andere Blastozysten eingefügt, die von Mäusen ausgetragen werden. Aus den Blastozysten entwickeln sich Mäuse mit gemischten Erbanlagen (Chimären): Einige Zellen dieser Mäuse tragen das unveränderte, andere das ausgeschaltete Gen. Wenn diese Mäuse Keimzellen bilden, um sich fortzupflanzen, tragen auch manche der Keimzellen das ausgeschaltete Gen. Unter den Nachkommen dieser Mäuse finden sich deshalb auch die gewünschten Tiere, die ausschließlich das ausgeschaltete Gen tragen und deshalb weitergezüchtet werden. Die Knock-out-Technik ist von großer Bedeutung für die medizinische Forschung, hat jedoch andererseits erhebliche Implikationen für den Tierschutz, da dabei in großer Zahl Säugetiere mit schweren Defekten erzeugt werden (siehe Qualzucht). Die US-amerikanischen Gentechniker Mario Capecchi und Oliver Smithies und der britische Gentechniker Martin Evans, welche die Knock-out-Technik entwickelten, wurden 2007 für ihre Forschungen mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.

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Gentherapie

Bei einer Gentherapie werden bestimmte Gene in Zellen eingeschleust, in denen die jeweilige, durch das Gen veranlasste Funktion gestört ist. Ziel des Verfahrens ist es, erworbene oder vererbte Krankheiten zu heilen. Man unterscheidet prinzipiell zwei Arten von Gentherapie: Bei der Keimbahntherapie erfolgt der gentechnische Eingriff an den Keimzellen (Ei- oder Samenzellen), so dass die genetischen Veränderungen auf den gesamten Organismus der nachfolgenden Generation übertragen werden. Wegen der möglicherweise weit reichenden Folgen ist diese Form der Gentherapie aus ethischen Gründen sehr umstritten; in Deutschland und den meisten anderen Ländern ist sie verboten. Bei der Körperzellentherapie werden Gewebezellen des Kranken direkt mit „therapeutischen” Genen behandelt oder dem Patienten für die Behandlung entnommen und anschließend wieder in den Körper gebracht. Zur Körperzellentherapie wurden bereits einige klinische Versuche durchgeführt, hauptsächlich zur Behandlung bestimmter Krebsformen und Stoffwechselkrankheiten.

Das Institut für Reproduktionsmedizin und -wissenschaft in Livingston (New Jersey) informierte die Öffentlichkeit 2001 über Geburten genetisch veränderter Kinder. Das älteste der insgesamt 15 Kinder war zu diesem Zeitpunkt bereits etwa vier Jahre alt. Die Mütter waren ursprünglich unfruchtbar und konnten nur deswegen Kinder zur Welt bringen, weil ihre Eizellen mit fremdem Zytoplasma geimpft worden waren. Dieses Zytoplasma enthielt Mitochondrien (Zelle) mit DNA, so dass die Kinder nicht nur mütterliche und väterliche Gene, sondern auch die einer dritten Person aufweisen; der Anteil fremder DNA wurde mit 0,03 Prozent angegeben. Vergleichbare Eingriffe sind in Deutschland und anderen europäischen Ländern als „Eingriffe in die Keimbahn” verboten.

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Weitere Möglichkeiten der Gentechnik

Die Methoden der Gentechnik bergen mannigfaltige Möglichkeiten. Beispielsweise kann das Gen zur Bildung von Insulin, das bei bestimmten Formen der Zuckerkrankheit (Diabetes) defekt ist, mit Hilfe eines Plasmids in Bakterienzellen geschleust werden. Diese Bakterien lassen sich in großem Maßstab vermehren und bilden so bei relativ geringen Kosten eine reichhaltige Quelle für so genanntes rekombiniertes Insulin.

Bei Menschen mit der so genannten Bluterkrankheit (Hämophilie) fehlt aufgrund eines Gendefekts der Gerinnungsfaktor VIII. Das Gerinnungsmolekül, das den Blutern als Medikament zugeführt wird, kann zwar aus Blutkonserven gewonnen werden. Doch gentechnisch gewonnener Faktor VIII hat den Vorteil, dass es zu keinen Kontaminationen (Verunreinigungen) mit Krankheitserregern kommen kann, wie das in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts teilweise mit AIDS- und Hepatitisviren passierte. Den Blutgerinnungsfaktor IX, der ebenfalls zur Behandlung von Menschen mit Bluterkrankheit gebraucht wird, gewannen schottische Wissenschaftler 1998 aus der Milch gentechnisch veränderter Schafe.

Ende 1997 wurde über erste Versuche mit DNA-Impfstoffen an Menschen berichtet, wobei ein Gen des Krankheitserregers in ein Plasmid eingebaut und als Impfstoff intramuskulär gespritzt wurde, um eine Immunreaktion zu erzeugen. Man hofft, später mit derartigen Impfstoffen die Erreger von Malaria, Grippe, AIDS und anderen Infektionen bekämpfen zu können. Nachdem 1998 gentechnisch veränderte Kartoffeln entwickelt worden waren, die Impfstoffe gegen Cholera enthalten, wurde 2000 über die Entwicklung genmanipulierter Kartoffeln mit einem Impfstoff gegen das Norwalk-Virus berichtet, das Nahrungsmittelvergiftungen verursacht. Weitere Einsatzmöglichkeiten für die Gentechnik liegen in der Erzielung erwünschter Eigenschaften bei der Tierzucht, z. B. durch das Rinderwachstumshormon BST. Auch in der Pflanzenzucht lassen sich bestimmte Eigenschaften, wie Resistenzen gegen Schädlinge, auf gentechnischem Weg erzielen. Beispielsweise wurden Ackerpflanzen mit einem Gen ausgestattet, welches das Toxin des Bakteriums Bacillus thuringiensis produziert: Schadinsekten, die an den Pflanzen fressen, gehen zugrunde. Es gibt bereits zahlreiche genmanipulierte Pflanzen, wie Tomaten, Erdbeeren und Raps.

Das Europäische Patentamt in München erteilte 1999 seine Zustimmung für Schutzlizenzen auf rund 100 genetisch veränderte Tiere und Pflanzen sowie im selben Jahr rechtswidrig ein Patent, das die gentechnische Manipulation menschlicher Embryonen einschloss. Nachdem von verschiedenen Seiten – u. a. von den Regierungen Deutschlands, Italiens und der Niederlande – Einspruch gegen das Patent erhoben worden war, entschied die Einspruchabteilung des Patentamtes 2002, die Verwendung menschlicher Embryonen zu industriellen und kommerziellen Zwecken sei von der Patentierbarkeit ausgeschlossen. 2000 zogen eine US-amerikanische sowie eine australische Firma ihre internationalen Patentanträge zurück, die sich auf Embryonen von Menschen und Tieren sowie auf Mischwesen aus Mensch und Schwein bezogen hatten. 2001 erklärte das Europäische Patentamt ein 1992 auf Antrag von Wissenschaftlern der Harvard University erteiltes Patent auf eine gentechnisch veränderte Maus (eine so genannte „Krebsmaus”) für rechtmäßig, schränkte es jedoch ein. Die Wissenschaftler hatten im Jahr 1984 ein menschliches Krebsgen in das Erbgut von Mäusen eingeschleust, so dass diese mit hoher Wahrscheinlichkeit an Krebs erkrankten und zur Erforschung von Krebstherapien genutzt werden konnten. Das Patent schützte bislang das dabei praktizierte Verfahren unabhängig davon, bei welcher Art von Säugetieren es angewandt wurde. Das Patentamt begrenzte das Verfahren nunmehr auf Nagetiere.

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Gefahren der Gentechnik

Die Beurteilung der Gentechnik ist zwiespältig: Auf der einen Seite gibt es zahlreiche unstrittige Nutzanwendungen, andererseits birgt diese Technik auch viele schwer überschaubare Risiken. Beispielsweise könnten übertragene Fremdgene mit Genen des Empfängerorganismus unbeabsichtigte Wechselwirkungen hervorrufen. Die dabei entstehenden Schädigungen können nicht nur, wie bei der Gentherapie, einzelne Individuen betreffen. Bei Freilandversuchen mit künstlich genveränderten Pflanzen besteht die Gefahr einer unkontrollierten Ausbreitung. Aus diesem Grund unterliegen Experimente mit rekombinierter DNA in den meisten Ländern strengen Sicherheitsbestimmungen. In Deutschland regelt das Gentechnikgesetz (Genrecht) den Umgang mit gentechnischen Verfahren in der Grundlagenforschung, der pharmazeutischen Produktion sowie die Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen. Eine 2004 beschlossene Neufassung des Gentechnikgesetzes soll biologisch und konventionell wirtschaftende Landwirte vor der Verunreinigung ihrer Produkte u. a. mit gentechnisch veränderten Pollen schützen.

Die Risiken der Gentechnik führen immer wieder zu kontroversen Diskussionen, so als 1996 erstmals genveränderte Sojabohnen auf den deutschen Markt gebracht werden sollten. 1997 wurde von einem französischen Agrarforschungsinstitut nachgewiesen, dass gentechnisch veränderter Raps sein Erbgut an Wildpflanzen weitergeben kann. Die Forscher pflanzten Raps neben Ackerrettich, die beide zur Familie der Kreuzblütler gehören, also nahe verwandt sind.

Auf der 5. Vertragsstaatenkonferenz zum weltweiten Schutz der Tier- und Pflanzenarten, die 2000 in Nairobi stattfand, unterzeichneten die Mitglieder der Europäischen Union sowie 64 der 177 Teilnehmerstaaten das Biosafety-Protokoll. Dieses Dokument beinhaltet Regelungen zur Sicherung von Mensch und Umwelt vor den Risiken des weltweiten Handels mit gentechnisch veränderten Organismen. Das Europäische Parlament entschied 2001 über eine strengere Richtlinie zur Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen; diese Richtlinie ersetzt die alte von 1990. Künftig müssen alle genmanipulierten Lebewesen registriert und Informationen darüber öffentlich gemacht werden. Bevor eine der auf zehn Jahre befristeten Genehmigungen erteilt wird, hat eine sorgsame Einzelfallprüfung stattzufinden, bei der mögliche langfristige Auswirkungen des Organismus auf die Umwelt untersucht werden sollen. Seit 2005 dürfen in vermarkteten Produkten keine Antibiotika-Resistenzgene mehr enthalten sein.

Siehe auch Biotechnologie