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Referat - Gentechnik
Christian Stegmann
Vorläufige Gliederung:
1
Einleitende Bemerkungen
2
Was ist Gentechnik?
2.1
Begriffsdefinition
2.2
Gen- und Biotechnik
3
Chronik der Gentechnik
4
Exkurs: Genetik
5
Methoden und Anwendungsbereiche der Gentechnik (Bsp.: Herstellung von Human-Insulin)
6
Risiken der Gentechnik
7
Schlußbemerkungen
1
Einleitende Bemerkungen
Kaum ein anderes Gebiet der Naturwissenschaften hat die Phantasie der Öffentlichkeit so stimuliert
wie die Gentechnologie. Als sich 1975 in Asilomar (Kalifornien) Molekularbiologen zum ersten
öffentlichen Auftritt der Gentechnologie versammelten war dies nicht wie üblich ein Anpreisen neuer
Techniken, sondern eine von hoher Verantwortung getragene Warnung vor möglichen Folgen.
Die Diskussion über mögliche Risiken und phantastische Umweltkatastrophen hält bei uns in der
Bundesrepublik bis heute an und beherrscht das öffentliche Bewußtsein. Es ist Zeit, daß auch die
Menschen in Deutschland die Augen öffnen Man macht sich selten Gedanken über die positiven
Aspekte des neuen Wissenschaftszweiges. Grund genug für mich über dieses Thema zu referieren.
2
Was ist Gentechnik
2.1
Begriffsdefinition
Unter Gentechnik, auch Gentechnologie faßt man sämtliche Erkenntnisse zu Untersuchung und
Manipulation von Erbgut zusammen.
Auszugrenzen sind folgende Themenkreise: Insemination (künstliche Befruchtung), Embryotransfer
und Klonierung (identische Vervielfältigung von Zellen und Organismen), da keine Veränderungen
am genetischen Material stattfinden. “Dolly” hat nichts mit Gentechnik zu tun!
Das älteste Gebiet dessen, was wir heute Gentechnik nennen, ist die Pflanzen- und Tierzüchtung.
Solange der Mensch seßhaft ist, hat er durch konsequente Selektion versucht, die ihm geeignet
erscheinenden Nutzpflanzen und Nutztiere herauszuzüchten. Durch die Gentechnik ist er hier nicht
mehr an die Maxime der Zucht “Ausprobieren und auf Erfolg hoffen” gebunden, sondern kann die
Selektion aktiv in bestimmte Richtungen lenken und beschleunigen.
2.2
Gen- und Biotechnik
Gen- und Biotechnik werden oftmals gleichgesetzt, doch meinen die Begriffe längst nicht dasselbe:
Biotechnik soll den Stoffwechsel, die biologischen Fähigkeiten zumeist einfacher Lebewesen
technisch ausnutzen. Auf diese Weise werden schon seit Jahrtausenden Substanzen in Bakterien und
Hefen hergestellt. Einfachste Beispiele sind die Gärung von Bier oder Verwendung von Backhefen.
Gentechnik ist der Biotechnik vorgelagert: War die Biotechnik bislang auf die natürlichen
Eigenschaften von Organismen angewiesen, so eröffnet die Gentechnik ihr neue Wege. Gentechnisch
veränderte Bakterien können bakterienfremde Eiweiße wie z.B. das menschliche Hormon Insulin
produzieren. Die Gentechnik kreiert also Lebewesen mit neuen Eigenschaften, die dann biotechnisch
ausgenützt werden können.
3
Chronik der Gentechnik
um 1750 Kreuzungs- und variationsstatistische Untersuchungen an Tieren und Pflanzen
1865 Mendel formuliert seine Vererbungsgesetze, die Grundlage der klassischen Genetik
1869 Miescher entdeckt Nukleinsäuren in den Zellkernen von Leukozyten (weiße Blutkörperchen)
1875 Hertwig erkennt, daß der Zellkern Träger des Erbgutes ist
1883 Roux und Weismann vermuten in Chromosomen Träger der Vererbung
1902/04 Sutton und Boverle stellen die Chromosomentheorie auf, die macht Mendelschen Gesetze
kausal verständlich
1944 Avery, Mac Leod und McCarty zeigen, daß die Desoxyribonukleinsäure Erbinformationen
speichert
1953 Watson und Crick erkennen Doppelhelixstruktur der DNA
1961 Nirenberg und Ochoa entschlüsseln die Transkription
1971 Arber, Smith und Nathans (Schweiz/USA) entdecken die Restriktionsenzyme, wichtige
Instrumente der Gentechnik, erhalten 78 Nobelpreis
1972 Berg gelingt die Übertragung eines Bakteriengens in ein Virus
1978 Goodman, Rutter, Gilbert u. a. gelingt die Synthese von Ratten-Insulin in Bakterien (Insulin:
Hormon, daß für Zuckerhaushalt zuständig ist, Diabetikern fehlt es, wird heute größtenteils
gentechnisch hergestellt)
ab 79 neue Erkenntnisse in der Tumorgenetik (Bishop, Weinberg, Wigler, Barbacid u.a.)
ab 82 Methoden zur Genübertragung in tierische Organismen mit Hilfe von Retroviren (Palmiter,
Brinster u.a.)
seitdem zahlreiche neue Entdeckungen
4
Exkurs: Genetik
An dieser Stelle ist ein kleiner Exkurs in die Genetik erforderlich, zur Auffrischung der Kenntnisse.
Jede individuelle Form des Lebens wird von spezifischen, individuellen Proteinen gesteuert. Proteine
sind hochmolekulare Eiweißkörper, die aus Aminosäueren aufgebaut sind. Sie bestimmen u.a. als
Enzyme, Hormone oder Rezeptoren sämtliche Vorgänge des Lebens. Sie sind die Träger des Lebens.
Die Natur kommt mit 20 Aminosäuren aus. Die Sequenz (Anordnung) der Aminosäuren im
Makromolekül (Großmolekül) weist den Proteinen ihre ihnen bestimmte Funktion zu. Im
menschlichen Organismus rechnet man mit ca. 50 000 Proteinen, rund 500 davon sind bekannt. Alle
Lebewesen, jede Art und innerhalb jeder Art jedes Individuum verfügen über nur für sie selbst
charakteristische Proteine.
Jeder lebende Organismus, vom Einzeller bis zum höchstentwickelten Warmblüter, dem Menschen,
hat ungeheure Leistungen zu vollbringen:
1. Die Speicherung und Verschlüsselung der Informationsmenge (von 50 000 Proteinen beim
Menschen, wobei jedes Protein aus tausenden Aminosäuren bestimmter Sequenz bestimmt)
2. Die immer wieder identische Reproduktion dieser Informationen.
Im Zellkern jeder Körperzelle befindet sich wie wir alle wissen, der paarweise angeordnete
Chromosomensatz, der genetische Gesamtspeicher aller Informationen, die unser Leben biologisch
ausmachen. Im Chromosom befindet sich ein langkettiges Makromolekül von Desoxyribonukleinsäure
(DNS o. engl. DNA). Es bildet die bekannte DNA-Doppelhelix, die etwa die Form einer
wendelförmig gedrehten Strickleiter hat. Der Begriff Gen, von dem es übrigens mehrere Definitionen
gibt, die alle ihre Berechtigung haben, steht in unserem Kreis für einen Abschnitt von Basenpaaren
(kleinste Informationseinheit aus Adenin und Thymin oder Cytosin und Guanin) auf dem DNAStrang, der für die Bildung eines Proteins verantwortlich ist, wobei drei Basenpaare jeweils eine
Aminosäure bestimmen.
Für jedes Lebewesen der 1,6 Mio Arten auf Erden gilt dieses Prinzip, - und das seit Milliarden Jahren
- es ist also universell!
Auf den chemischen Aufbau der DNA möchte ich hier nicht weiter eingehen, das würde den Rahmen
dieses Referats sprengen. Einige Größenordnungen: ca. 1000 Basenpaare ergeben ein Gen (variiert),
die menschliche DNA umfaßt ca. 3 Mrd Basenpaare.
Mit diesem System ist die Natur in der Lage mit wenig Aufwand die ungeheure Vielfalt von
genetischen Informationen zu speichern.
Als nächstes muß erklärt wie diese Informationsmenge immer wieder identisch reproduziert werden
kann, und zwar einmal zur Erhaltung der Art innerhalb des Einzelorganismus (bei Bildung neuer
Zellen) und bei der Vererbung - zum Anderen zur Vereinheitlichung der Lebensvorgänge innerhalb
eines Individuums durch Steuerung über wieder identisch reproduzierte Proteine (sprich: das
Auslesen und Benutzen der Informationen).
Der erste Fall ist denkbar einfach: Stellen wir uns die Doppelhelix als Reißverschluß vor, so geschieht
bei der Zellteilung, die ja zu 2 neuen Zellen mit 2 neuen Zellkernen und 2 neuen Genomen führt,
folgendes: Die Basenpaare öffnen sich wie die Zähne des Reißverschlusses und an jedem Zahn der
DNA-Stranges lagert sich sofort aus dem im Zellkern vorhandenen Lager von freien Basen (hier auch:
Nukleotid Adenin, Thymin oder Cytosin, Guanin) das entsprechende, komplementäre Nukleotid an.
Jeder Reißverschlußstrang hat sich sofort wieder zu einem neuen, vollständigen Reißverschluß
ergänzt, der mit dem ursprünglichen identisch ist. Dieser Vorgang ist universell, vom Embryo bis zur
Regeneration von Gewebezellen.
Bleibt noch der zweite Fall, das “Auslesen” oder Transkription der DNA:
Dieser Prinzip gleicht dem der Verdoppelung der DNA. Der für den Aufbau des Proteins zuständige
Teil der DNA wird abgeschrieben, diesmal aber nicht mit Nukleotiden der DNA, sondern mit
Nukleotiden der RNA (Ribonukleinsäure, die als Zuckeranteil Ribose enthält). Der Reißverschluß
öffnet sich an der bestimmten Stelle, wird von RNA-Nukleotiden abgeschrieben, die RNA-Abschrift
löst sich und die DNA schließt sich wieder. Das entstandene Molekül wird Boten-RNA bezeichnet
und kann den Zellkern verlassen und wird im Cytoplasma der Zelle weiterverarbeitet und das Protein
wird gebildet. Der Vorgang dauert nur wenige Sekunden. Soviel zur Genetik.
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Methoden und Anwendungsbereiche der Gentechnik
Das Paradebeispiel schlechthin für genetische Methoden ist die Produktion von menschlichem Insulin
(Hormon, das den Zuckerhaushalt im Körper reguliert; Diabetiker können es nicht produzieren) mit
Hilfe von genmanipulierten Bakterien.
Die Vorgangsweise möchte ich hier kurz schildern:
Als erstes muß man die DNA, die für die Produktion von Insulin verantwortlich ist isolieren. Hier
sind zwei Möglichkeiten bekannt: Entweder man läßt die gesamte DNA isoliern, mit
Restriktionsenzymen zerstückeln und diese Stücke in Plasmide einfügen. Die Plasmide werden
anschließend in Bakterien eingebracht (Transformation), jetzt muß man nur noch das Bakterium
finden, das das Insulingen enthält was bei 100 000 bis 1000 000 anderen möglichen Informationen
jedoch schwierig ist (dieses Problem läßt aber sich mittlerweile lösen). Diese Methode hat auch noch
andere Nachteile, auf die ich jetzt nicht eingehen möchte.
Als Alternative bietet sich die Isolierung der Insulingens über die Boten-RNA (siehe 4). Organe
synthetisieren in spezialisierten Zellen (z.B. die β-Zellen der Bauchspeicheldrüse) eine große Menge
dieser Boten-RNA und über dieser widerum das Protein (hier Insulin).
Um ein Bakterium wie unser Darmbakterium Escherichia coli zur Produktion eines fremden Proteins
(wie etwa Insulin) anzuregen, bedarf es jedoch weiterer gentechnischer Kniffe. Die bakterielle Zelle
benötigt zusätzliche Information auf der DNA, die ihr als Signal für die Übersetzung in ein Protein
dienen. Diese Signale sind allen bakteriellen Genen vorgeschaltet - man bezeichnet sie als
Regulations-Regionen - und geben der Zelle die Möglichkeit, je nach Wachstumsbedingungen und
externem Nahrungsangebot bestimmte Gene an- oder abzuschalten, also eine ökonomische Balance
aller Syntheseprogramme zu gewährleisten. Unser Insulingen im Bakterium muß also mit einem
bakteriellen Regulator versehen werden. Das fertige Bakterium wird in großen Fermentern gezüchtet
und mit Nahrung versorgt und alsbald hat man eine große Menge Bakterien-Insulin-Reststoff
Mischung. Diese Mixtur muß gereinigt werden, was auch einen hohen Aufwand darstellt, dann haben
wir jedoch was in alle Arzneimittelfläschen gehört: das reine menschliche Insulin.
Es muß hier noch erwähnt werden, daß auf diesem Gebiet die Möglichkeiten noch nicht ausgereizt
sind, im Gegenteil, wir stehen erst am Anfang der Entwicklung.
Neben der eben besprochenen Genmanipulation an Mikroorganismen (graue GT) sind noch die beiden
anderen Gebiete der Genmanipulation an Pflanzen (grüne GT) und an Tieren (rote GT) zu nennen, die
ebenso umfangreich sind, aber von mir jetzt besprochen werden können.
Nun zu den Anwendungsbereichen der Gentechnik. Gegenwärtig wird die Gentechnologie in der
Medizin hauptsächlich zur Gewinnung von Arzneimitteln durch gentechnisch veränderte
Mikroorganismen oder Zellen (wie soeben besprochen) und zur Entwicklung diagnostischer
Möglichkeiten angewandt (DNA-Analyse?). Als Ergebnis weltweiter Bemühungen in den
verschiedensten Laboratorien konnten die ersten menschlichen Proteine aus Bakterien erhalten
werden: Humaninsulin, Interferone, Wachstumshormone, Glucagon, Interleukine, Relaxin, ect. und
auch Impfstoffe wie z.B. für Hepatitis B. An einem Impfstoff für AIDS arbeitet man bekanntlich
fieberhaft. Des Weiteren hat man mit Hilfe der Gentechnik die Ausbeute bei Antibiotika
produzierenden
Bakterien
und
Pilzen
um
das
1000fache
gesteigert
und
unerwünschte
Nebenwirkungen eliminiert.
In den letzten 10 Jahren wurden große Fortschritte auf dem Gebiet der Krebsforschung gemacht,
wahrscheinlich ist dank der Gentechnik Krebs künftig heilbar.
In der Landwirtschaft hat man großes Interesse daran, Gene für die Aufnahme und Verwertung von
Luft-Stickstoff aus Bakterien in Nutzpflanzen zu übertragen. Wenn dieses Vorhaben gelingt, wird
man auf jegliche Art von Dünger verzichten können und somit Umweltbelastung und Kosten stark
reduzieren. Andere Ziele liegen in der Transformation von Pflanzen mit Genen, die die Photosynthese
oder die Proteinbiosynthese und -speicherung verbessern. Auch von der Übertragung von
Resistenzgenen gegen Schädlinge oder Umweltgifte erwartet man eine deutliche Verbesserung der
Qualität von Kulturpflanzen.
In der modernen Tierzucht sind die extrakorporale Befruchtung, die Gefrierkonservierung von
Embryonen und die Geschlechtsselektion bereits Alltagspraktiken. Das Klonieren von Säugern und
Genaustausch auf molekularer Basis sind vorerst noch Zukunftsmusik, weniger wegen den
technischen Möglichkeiten, vielmehr aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen, die dies nicht
ganz zu unrecht einschränken.
6
Risiken der Gentechnik
Die Gentechnik fordert von dem Menschen, über moralische und soziale Konsequenzen
naturwissenschaftlicher Forschung wie ihrer technischen Anwendung nachzudenken. Es gilt nicht
immer, das technisch Mögliche zu tun, sondern wir müssen uns verstärkt nach dem Sinn unseres Tuns
fragen und auch fragen lassen. Ein Fermenter, eine Kläranlage oder ein Treibhaus stellen
kontrollierbare Biotope dar. Die Umwelt aber repräsentiert ein Spektrum von Variablen, wovon uns
nur wenige bekannt sind. Fehlentscheidungen, das haben uns die Ereignisse in jüngster Zeit gelehrt,
verursachen oft irreparable Schäden in unserem Lebensraum.
7
Schlußbemerkungen
Ich möchte meinen Vortrag schließen mit einem Zitat des Forschers Wade aus dem Jahr 1977: “Der
gesamte Gen-Pool unseres Planeten, das Produkt von drei Milliarden Jahren Evolution, steht zu
unserer Verfügung. Der Schlüssel zum Leben ist in unsere Hände gelegt. Es gibt gelegentlich
Vorschläge - aus wissenschaftlichen oder moralischen Gründen - den Schlüssel wieder wegzuwerfen.
Aber ein solches Ignorieren von Möglichkeiten liegt nicht in der menschlichen Natur. Das Tor zur
Schatzkammer ist bereits offen, und die einzige Frage ist, welchen Nutzen wir von den Reichtümern
darin ziehen werden.”