"Biotechnologie: Fluch oder Segen?"

Prof. Dr. Dr. h.c. (Barcelona) Roland Benz
Lehrstuhl für Biotechnologie
Theodor-Boveri-Institut der
Universität Würzburg
D-97074 Würzburg
Am Hubland
Tel.: 0931 888-4501
Fax: 0931 888-4509
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Zusammenfassung des Vortrags im Bauerngerätemuseum Hundszell/Ingolstadt
"Biotechnologie: Fluch oder Segen?"
am Sonntag, 12. Oktober 2008.
Einleitung: Historie der Biotechnologie. Bereits seit mehreren Tausend Jahren wurde
die Biotechnologie unbewusst zur Produktion von Lebensmitteln benutzt.
Grundlagen und Methoden der Biotechnik:
Weiße Biotechnologie: Produktion von Lebensmitteln, Organischen Säuren
Aminosäuren und Enzymen durch
Fermentationsprozesse
Rote Biotechnologie:
Herstellung von Arzneimitteln, Entwicklung neuer
Therapien
Grüne Biotechnologie: Anwendung der Biotechnologie in der Landwirtschaft
Graue Biotechnologie: Anwendung der Biotechnologie in der Umwelt:
Abwasserreinigung, Biogasgewinnung, Entsorgung
kontaminierter Böden
Blaue Biotechnologie: Biotechnologische Produkte aus dem Meer
Abgrenzung Biotechnologie – Gentechnik als Teilgebiet der Biotechnologie
Klassische Züchtungsverfahren sind seit vielen Jahrhunderten bekannt, ohne dass
unsere Vorfahren Kenntnis der Gentechnik hatten. Ohne Gentechnik wurden viele
Nutzpflanzen erzeugt und in ihren Leistungen ständig verbessert. Durch analoge
Verfahren wurde auch die tierische Leistung auf den verschiedensten Gebieten
gesteigert. Verstanden werden die Vorgänge dabei, seitdem Gregor Mendel im
letzten Jahrhundert die Vererbungslehre begründet hat. Diese ist auch heute noch
gültig und beschreibt die Vorgänge, die bei der Befruchtung der Eizelle durch
Spermen auftreten. Die Vereinigung von Eizelle und Sperma führt zu einer
Reorganisation des genetischen Materials, wobei beide zu jeweils 50% zu den 100%
genetischen Materials des neuen Organismus beitragen.
Ein Meilenstein in der Entwicklung der molekularen Biotechnologie sind die
Untersuchungen von Watson und Crick, die in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts
gezeigt haben, dass das genetische Material von Zellen in einer Doppelschraube
organisiert ist. Dabei paaren sich jeweils 2 Basen von den 4 Basen (Adenin, Thymin,
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Guanin und Cytosin) der so genannten Desoxyribonukleinsäuren (auch DNS oder
DNA genannt), die das Erbmaterial, das Genom ausmachen. Von der Abfolge von
jeweils drei Basen der DNS ist eine Aminosäure bestimmt, die auch als genetischer
Code bezeichnet wird. Verschiedene Tripletts von Basen kodieren für etwa 20
Aminosäuren, wobei die Zuordnung zwischen Basentriplett und Aminosäure
eindeutig ist, aber verschiedene Tripletts für die gleiche Aminosäure kodieren
können. Die Abfolge der Aminosäuren ist wichtig für die Funktion des dabei
entstehenden Proteins (auch Eiweiß genannt). Die Proteinbiosynthese erfolgt in
verschiedenen Ebenen, die Transkription und Translation genannt werden, auf die
ich hier aus Zeitgründen nicht näher eingehen will. Die genetischen Vorgänge bei
der Vermehrung von Zellen oder bei der Zeugung sind nie ganz frei von Fehlern, die
z. B. zum Austausch einer Base in einem Triplett führen können. Das kann zum
Austausch von Aminosäuren in Eiweißsequenzen und zum Defekt der jeweiligen
Eiweißfunktion führen, die sich dann ihrerseits als Erbkrankheit manifestieren kann.
Beispiele dafür sind die Sichelzellenanämie, die durch Austausch einer Aminosäure
im Hämoglobin verursacht wird oder die Zystische Fibrose (auch als Mukoviszidose
bekannt), die als Folge des Ausfalls der Chloridtransportfunktion des Lungenepithels
auftritt.
Auch Umwelteinflüsse auf die Gene sind bekannt. Dabei handelt es sich Effekte von
ionisierenden Strahlen (UV-, Röntgen- und -Strahlung) und von chemischen
Substanzen (halogenierte Kohlenwasserstoffe) auf das genetische Material, die dabei
eine mutierende Wirkung auslösen. Diskutiert wird so die Entstehung von Tumoren
und von Blutkrebs.
Seit dem Beginn der molekularen Genetik hat die Kenntnis der Gene verschiedener
Organismen stark zugenommen. So ist zum Beispiel das Genom verschiedener
Bakterien vollständig bekannt. Seit einigen Jahren bestehen verschiedene ehrgeizige
Projekte das Genom einzelner Modellorganismen, wie das der Hefe Saccharomyces,
der Pflanze Arabidopsis, der Fruchtfliege Drosophila und des Menschen vollständig
durchzusequenzieren. Diese Sequenzierungen sind in vielen Fällen, etwa auch im
Fall des Menschen bereits abgeschlossen. Die Sequenzierung des Genoms weiterer
Organismen ist derzeit in Bearbeitung. Von Interesse ist momentan aus nahe
liegenden Gründen das Genom von pathogenen Organismen. Insgesamt ist
festzuhalten, dass das menschliche Genom ungleich viel größer ist als das von
Bakterien. In einem viel strapazierten Vergleich werden dabei das Bakteriengenom
mit einem Buch mit 1000 Seiten und das menschliche Genom mit einer Bücherei aus
1000 Bänden mit jeweils 1000 Seiten verglichen. Das menschliche Genom umfasst
insgesamt etwa 30.000 Gene, die für Proteine kodieren, das heißt die Möglichkeit
diese Proteine zu produzieren.
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Das Leben auf der Erde ist etwa 5 Milliarden Jahre alt. Die ersten Lebewesen waren
Prokaryonten, also Bakterien, die mehr als 4 Milliarden Jahre die Erde beherrscht
haben. Seit etwa 700 Millionen Jahren gibt es höhere Zellen, die Eukaryonten.
Offenbar gibt es eine gemeinsame Wurzel aller Lebewesen. Dieses bedeutet, dass
auch der genetische Code universell ist und von allen Organismen verstanden wird.
Die Mechanismen der Replikation bei der Zellteilung sind ebenfalls universell.
Weiter sind Transkription (die Überschreibung der genetischen Information vom
Genom auf eine Nucleinsäurekopie, der Boten-Ribonucleinsäure) sowie die so
genannte Translation (die Umsetzung des genetischen Codes bei der
Proteinbiosynthese) ebenfalls universell. Als Folge kann die genetische Information
für jedes Protein eines bestimmten Organismus in jeden anderen Organismus
transferiert werden. Unter bestimmten Voraussetzungen kann dieses Protein im so
genannten Wirtsorganismus hergestellt werden. Als Beispiel dafür wurde die
Produktion der beiden Insulinketten A und B durch das Darmbakterium Escherichia
coli genannt. Die für beiden Proteine kodierenden Gene werden in sogenannte
Plasmide (kleine zirkuläre DNA) eingebracht, die neben den genannten Genen
jeweils auch das Gen für eine Antibiotikaresistenz für Selektionszwecke enthalten.
Anschließend wird das Plasmid in Bakterien eingebracht und dort vermehrt. Nach
der Vermehrung wird die Synthese der beiden Insulinketten angedreht.
Damit wird klar was unter Gentechnik verstanden wird. Es ist die Neukombination
von Nucleinsäuren mit Hilfe von Bakterien. Darunter wird verstanden:
Die Herstellung von Proteinen für medizinische und technische
Anwendungen.
Die Herstellung von transgenen Tieren und Pflanzen.
Die Gendiagnostik.
Die Somatische Gentherapie
Unter Gentechnik wird nicht verstanden:
Die Extrakorporale Befruchtung
Embryoteilung und Embryotransfer bei Nutztieren
Klonierung von Organismen (Schaf "Dolly")
Die Anwendung der Gentechnik und die Verwendung von gentechnisch veränderten
Organismen werden in der Bundesrepublik durch das Gentechnikgesetz vom 20. Juni
1990 in den Novellierungen vom 16. 12. 1993 und vom 1. 4. 2008 kontrolliert.
Das Gesetz sieht verschiedene Stufen vor:
1. Kein Risiko
2. Geringes Risiko
3. Mäßiges Risiko
4. Hohes Risiko
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Ein weiter Bereich der Gen-Revolution ist die Anwendung der Gentechnik im
Agrarbereich. Basis für die Herstellung von transgenen Pflanzen aller Art ist die
Möglichkeit fast alle Pflanzen aus einer einzigen Pflanzenzelle etwa auch aus einer
transgenen Pflanzenzelle zu regenerieren.
Zurzeit werden drei Bereiche der Herstellung von transgenen Pflanzen näher
untersucht:
1. Verbesserung der Herbizidwirkung.
2. Abwehr von tierischen Schädlingen an Pflanzen.
3. Verbesserung der Leistung von Pflanzen.
Die Anwendung der Gentechnik in der Medizin und im medizintechnischen Bereich
erlaubt die Produktion neuartiger und effektiver Arzneimittel:
Herstellung von Hormonen, Interferonen, Impfstoffen, Blutgerinnungsfaktoren und
Antikörpern mit Hilfe der Gentechnik. Bekannt sind 25 verschiedene Produkte. Die
mir bekannte Liste erscheint repräsentativ für die Erzeugung verschiedener Produkte
aber nicht vollständig zu sein. Die Produktion erfolgt wie bereits für das Insulin
berichtet über den Transfer und der Expression des entsprechenden Gens in dem
Darmbakterium Escherichia coli. Von der Verwendung geht keine Gefährdung für
die Patienten aus, da nur die Produkte eingesetzt werden.
Insgesamt existiert eine weit größere Akzeptanz der gentechnisch hergestellten
Produkte im medizinischen Bereich verglichen mit der von transgenen Pflanzen.
Insbesondere deren Anbau in Feldversuchen ist als äußerst problematisch anzusehen.