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Biologie
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Gentechnik

Künstliche Veränderung des Erbgutes mit dem Ziel, Vererbungsstrukturen auf molekularer Ebene zu übertragen, um so gewünschte neue Eigenschaften im Organismus erblich zu verankern. Sie steht im Gegensatz zur traditionellen Züchtung, die aus vorgegebenem oder willkürlich verändertem Material (`Mutation) die bestgeeignete Form auswählt. Die Methoden der Gentechnik basieren auf der Möglichkeit, Gene aus dem chromosomalen Verband herauszulösen und als selbständige Einheit in einem anderen Organismus unterzubringen. Als Überträger der isolierten Gene werden Vektoren (z.B. Viren, Plasmide) verwendet. Beliebtes Versuchsobjekt der Gentechnik ist das Darmbakterium Escherichia coli. Ihm wurden z.B. Gene zur Synthese der menschlichen Hormone (Insulin, Somatostatin) übertragen. Die Stoffe werden dann von den Bakterien produziert. Auch mit Erbkrankheiten behaftete Patienten hofft man mit Hilfe der Gentechnik heilen zu können (`Gentherapie). Nutzpflanzen werden ebenfalls mit gentechnischen Methoden verändert, um etwa höhere Erträge zu erzielen.

Bildung von Schimären:

durch Teilung des Maulbeerkeim`s erhält man einen Klon und kann so identische Mehrlinge herstellen

werden Teilstücke mit denen eines anderen Embryos in eine gem. Eihülle gepackt können Teilstücke miteinander verwachsen

> Bildung einer Schimäre > Tier dessen Gewebe von 2 verschiedenen Embryonen stammen

> so entstand Schiege aus einen Gemisch aus Schaf- und Ziegenembryo

> für Züchtungszwecke ungeeignet, da Nachkommen der Schimäre der ein oder anderen Elternart entspricht und nicht wieder eine Schimäre ist.

 

Klonen:

Klonen ist der Vorgang der "künstlichen" ungeschlechtlichen Vermehrung, bei dem genetisch identische Lebewesen, sogenannte Klone entstehen.

Klonen durch Teilen des Embryos

Auf natürlichem Weg entstandene Klone sind z.B. Ableger von Pflanzen.

Alle Klone gleichen Ursprungs haben die gleiche genetische Ausstattung à sie sind genetisch identisch.

Schon vor 40 Jahren haben Wissenschaftler es geschafft ein Froschembryo so zu Teilen das genetisch gleiche Kaulquappen entstanden.

Diese Verfahren werden heute hauptsächlich in der Landwirtschaft genutzt, um schneller viele Nachkommen von Tieren mit gewünschten Eigenschaften zu bekommen.

Befruchtung à befruchtete Eizelle à Trennung à weitere Teilungen à Entnahme der einzelligen Keime in einem frühen Stadium ( vor Spezialisierung der Zellen ) à Einpflanzen dieser in Leihmutter à erneut Teilung der Zellen à entstehen von Klon

Klonierung des Schafes Dolly:

Die Klonierung des Schafes Dolly wurde durch den schottischen Wissenschaftler Ian Wilmut durchgeführt. Er entfernte einem Schaf eine Euterzelle (man hätte allerdings auch eine Bauchspeicheldrüsen- oder Milchdrüsenzelle verwenden können). Da diese Zelle trotz ihrer Spezialisierung nach alle Erbanlagen in Form von DNA enthält, kann diese nach Aufhebung der "Lesesperre" zum Klonen genutzt werden. Hierzu versetzte man die Zelle zurück in ihren Urzustand, indem man ihre Aktivität durch eine Nährstoffreduzierung (Absenkung des Serumgehaltes in einem Kulturmedium von 10% auf 0,5%) herabsetzt. Die Zelle "vergisst" ihre Spezialisierung und kehrt daraufhin in den Urzustand zurück.

Einer Eizelle wurde jetzt in dem Augenblick, in dem sie das Spermium erwartet der Zellkern abgesaugt und der Kern der Körperzelle durch Mikroinjektion implantiert. Durch elektrische Spannung wurden die Zellen zur Verschmelzung und Teilung angeregt. Die neue Eizelle konnte jetzt in die Leihmutter eingepflanzt werden, die nach 150 Tagen normaler Schwangerschaft Dolly gebar.

Einbau des Erbgutes:

Zum Einbau von DNA in eine Zelle gibt es drei verschiedene Methoden.

Partikelbeschuss: Bei dieser Methode wird die DNA mit Hilfe von Gold- oder Wolframpartikeln und einer hohen Geschwindigkeit in die Zelle eingeschossen.

Elektroporation: Bei dieser Methode wird in einer Flüssigkeitskammer bei 1500V eine höhere Durchlässigkeit der Zellmembran erzeugt und daraufhin die DNA eingeschleust.

Mikroinjektion: Bei dieser Methode wird die Zellmembran mit einer Glaskapillare durchstochen und die DNA injiziert.

Polymerase-Kettenreaktion (PCR):

Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine unkomplizierte Methode der DNA-Klonierung, die in den 80er Jahren erfunden wurde. 1980 erhielten ihre Erfinder, die Amerikaner Allan Maxam und Walter Gilbert sowie der Brite Frederick Sanger den Nobelpreis für Chemie.

Die PCR dient der enzymatischen Vermehrung von DNA, damit diese in ausreichenden Mengen für Untersuchungen zur Verfügung steht. In 30 Durchgängen der PCR wird die DNA bereits über eine Milliarde Mal kopiert. Somit eignet sich diese Methode zum Einsatz in der Molekularbiologie, der Diagnostik, der Archäologie, der Medizin und der Gerichtsmedizin.

Als Ausgangsstoff dieser Methode dient eine DNA-Matrize mit einer bekannten Basenfolge an Anfang und Ende, sowie sogenannte Primer, DNA-Teilstücke aus drei bis acht Nukleotiden. Die PCR, bestehend aus drei Teilreaktionen verläuft vollständig im Reagenzglas bzw. der PCR-Maschine ab. In der ersten Teilreaktion erfolgt bei 94C die Denaturierung der DNA, das heißt die Auftrennung der Wasserstoffbrücken zwischen den Einzelsträngen. Im zweiten Teilschritt erfolgt die Hybridisierung der Primer zur Begrenzung eines bestimmten Teilstücks bei 30C-60C. In der dritten Reaktion schließlich erfolgt die Verdopplung der DNA bei 72C. Der Primer dient hierbei als Startsequenz und die Polymerase, ein Enzym, welches in Zellen zur Mitose benötigt wird, der Polymerisierung. Daraufhin kann sich ein neuer Zyklus mit den drei Teilreaktionen anschließen.

Elektrophorese:

Die Elektrophorese dient der DNA-Analyse nach deren Bruchstücklänge. Die verschiedenen Bruchstücke erhält man durch DNA-Sequenzierung, so dass sich die verschiedenen organischen Basen durch ihre Bruchstücklänge unterscheiden. An ein Agorase-Gel, das verschiedene Poren und die DNA-Bruchstücke enthält wird eine Spannung angelegt, woraufhin die negativ geladene DNA zum Pluspol wandert. Je nach Größe bleiben die Bruchstücke in den Poren stecken und sammeln sich dort an. Diese Banden können durch Färbung sichtbar gemacht und somit die Basenreihenfolge in der DNA abgelesen werden.

Werkzeuge der Gentechnik:

Um Gene in die DNA eines fremden Organismus einbringen zu können, muss man die gewünschten Gene zunächst isolieren. Dazu verwendet man sogenannte Restriktionsenzyme, die auch als "molekulare Scheren" bezeichnet werden. Die DNA wird von den Restriktionsenzymen an einer ganz bestimmten Stelle gespalten. Die Spaltung erfolgt oft um 1 bis 6 Nukleotide versetzt. Dabei entstehen einsträngige "Klebeenden" die sticky ends. Nun fügt man mit Hilfe von DNA-Ligasen (auch "molekularer Kleber") die sticky ends von der fremden DNA und der Wirts-DNA zusammen. Die fremde DNA, die an die Wirts-DNA angefügt wird bezeichnet man als Passagier-DNA. Damit aber diese Passagier-DNA angefügt werden kann, ist es zuvor notwendig sie in die Zelle mit der Wirts-DNA einzubringen. Hierzu dienen Vektoren, die z.B. aus Plasmiden oder Phagen-DNA (Viren-DNA) bestehen. Oftmals müssen noch zusätzliche Nukleotidsequenzen als Schnittstelle eingebaut werden.

Ist in einem Plasmid die Erkennungssequenz für ein bestimmtes Restriktionsenzym nur 1mal vorhanden, so wird der Ring an dieser Stelle geöffnet. Auch hier entstehen sticky ends, an welche dann Passagier-DNA eingebaut werden kann. So wird ein Vektor gewonnen den man anschließend in eine plasmidfreie Bakterienzelle (oftmals escherichia coli) einbringt. Dies gelingt mit etwa einem unter 1Mio Bakterien.

Da Bakterien sich vegetativ fortpflanzen und somit also identische Nachkommen entstehen, eignen sie sich hervorragend um die Vektoren und somit auch die Passagier-DNA zu vermehren. Neben solchen Klonierungs-Vektoren, die lediglich der Vermehrung der Passagier-DNA dienen, gibt es aber auch noch Expressions-Vektoren. Diese ermöglichen es dass die Informationen auf der Passagier-DNA auch von der Zelle gelesen (exprimiert) werden, so dass das gewünschte Protein produziert wird. Dafür ist es nötig ein Regulationssystem in den Klonierungs-Vektor einzubauen. Für jeden Organismus braucht man ein anderes Regulationssystem.

Isolierung der gewünschten Passagier-DNA:

Bei der Isolierung der gewünschten Passagier-DNA aus dem Genom des Spenderorganismus, entsteht aber auch andere Passagier-DNA. Dies liegt darin begründet, dass die Sequenz für das eingesetzte Restriktionsenzym die zur Spaltung der DNA führt, mehrmals vorkommt. Somit wird also der DNA-Strang in viele Spaltstücke zerlegt. Diese werden alle als Passagier-DNA in Plasmide eingebaut. Dabei entstehen unterschiedliche Hybridplasmide und zwar genau so viele verschiedene, wie es verschiedene Zellspaltstücke gab. Diese Hybridplasmide werden in Wirtsbakterien vermehrt. Auch hier entstehen so viele verschiedene Zellklone, wie es Spaltstücke gab. Alle diese verschiedenen Zellklone zusammen bezeichnet man als Genbank oder Genbibliothek. Aus einer Genbank den gewünschten Zellklon zu gewinnen ist recht schwierig. Im Wesentlichen verläuft die Klonselektion in zwei Schritten:

  1. Schon beim Anlegen der Genbank wird das spätere Aussortieren von Zellen ohne Plasmiden und von Zellen ohne Hybridplasmiden gewährleistet. Dies ist durch den Einbau von 2 Resistenzgenen gegen Antibiotika (z.B. Ampicillin und Tetracylin) in den Plasmid möglich. In einem dieser Antibiotika liegt die Schnittstelle an der die Passagier-DNA eingefügt wird. Wird Passagier-DNA eingefügt, so verliert dieses Resistenzgen durch die "Unterbrechung" seine Funktion. Die Wirtsbakterie, die diesen Hybridplasmid enthält ist also gegen ein Antibiotikum resistent, gegen das andere allerdings nicht. Wirtsbakterien, die Plasmide ohne Passagier-DNA enthalten sind aber gegen alle beide Antibiotika resistent. Somit ist eine Unterscheidung mit der Stempeltechnik möglich.
  2. Die Zellklone, die Passagier-DNA enthalten werden von den anderen getrennt. Nun ist es noch notwendig durch das sogenannte screening (Siebung) die Zellklone mit der gewünschten Passagier-DNA zu finden. Dazu benutzt man ein radioaktiv markierte, einsträngige DNA oder RNA, die einem Teil des gesuchten Gens komplementär ist, eine sogenannte Gensonde. Nachdem die DNA der Zellklone gewonnen und durch erhitzen einsträngig gemacht wurde, bindet sich die Gensonde an der Zellklon-DNA an, die das gesuchte Gen enthält. Diese wird radioaktiv und lässt sich somit lokalisieren.

Insulin und seine syntethische Herstellung:

Insulin [das; lat.], das in den B-Zellen des Inselorgans gebildete Hormon ist ein Peptidhormon, bestehend aus 51 Aminosäuren. Seine Struktur wurde1953 von F. Sanger aufgeklärt. Da das Insulin im Verdauungskanal zerstört würde, kann es nur unter dessen Umgehung, d.h. durch Einspritzung, angewendet werden. Die Insulinwirkung besteht in der Förderung des Zuckerstoffwechsels. D.h. Anregung des Zuckerabbaus (Glykolyse) in der Muskulatur u. der Zuckerspeicherung als Glykogen (Stärke) in der Leber; Folge dieser Wirkung ist die gute Ausnutzbarkeit des Zuckers u. die Einhaltung des normalen Blutzuckerspiegels (etwa 100–120 mg-%).

Insulinmangel führt zur Zuckerkrankheit.

Insulin wird heute synthetisch hergestellt.

Ethik der Gentechnik und Genforschung:

Durch die Gentechnik kommen auch neue Probleme und Gefahren auf uns zu. So muss z.B. das Gefahrenpotential eines genetisch manipulierten Organismus in Labor und Freilandversuchen erprobt werden.

Die Annahme, dass das Gefahrenpotential nicht höher als das des Lieferanten des Gens sein kann, ist falsch!

Grundsätzlich besteht die moralische Verantwortung der Wissenschaftler darin, dass sie auf mögliche Gefahren bei der Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse aufmerksam machen.

Möglichkeiten und Gefahren der Gentechnik werden heftig und kontrovers diskutiert. In Deutschland trat am 1. 7. 1990 das Gentechnikgesetz in Kraft. (Neufassung: 16. 12. 1993). Es enthält Rahmenbedingungen für den Umgang mit genetisch veränderten Organismen.

>> DIE FREIHEIT DER FORSCHUNG HAT DORT IHRE GRENZEN, WO HÖHERRANGIGE WERTE BEDROHT WERDEN, z.B. die körperliche und seelische Gesundheit oder die Würde des Menschen!<<

In 6 des Embryonenschutzgesetzes heißt es:

" Wer künstlich bewirkt, dass ein menschlicher Embryo mit der gleichen Erbinformation wie ein anderer Embryo, Fötus, ein Mensch oder ein Verstorbener entsteht, wird mit Freiheitsstrafe oder mit Geldstrafe bestraft "

Literaturangabe:

- www.quarks.de/klonen

- www.newscientist.com/clone

- T. A. Brown. Gentechnik für Einsteiger. 1995

- Dr. S. Ryser. Streiflichter der Gentechnik.

- Fond der Chemischen Industrie. Biotechnologie - Gentechnik. Frankfurt am Main. 1996.

- Linder Biologie. 20. Auflage. Schroedel Schulbuchverlag GmbH. Hannover. 1989.

 

Copyright © 2000 Sven Döring, Thomas Bräuer, Tobias Spitzner