Einführung in die Gentechnik

Kaum ein Eingriff der Wissenschaft führt so viele Ängste und doch Hoffnungen mit sich wie die Gentechnik. An einer Stelle der DNA mit einer “Schere” ein krankes Stück herausschneiden und durch ein gesundes zu ersetzen - was ein Gedanke.
Die Gentechnik hat bereits viele Bereiche unseres Lebens verändert und wird auch weiterhin an Bedeutung gewinnen.

Vor allem Bakterien sind gentechnologisch interessant. Das schnelle Wachstum, verbunden mit extrem kurzer Generationsdauer, einfache Art von Kultivierung und ihr unkompliziertes Erbgut machen Bakterien zum Objekt der Begierde Nummer 1, wenn es um Gentechnik geht. Inzwischen wurden aber auch zahlreiche eukaryotische Zellen und Organismen genetisch vom Menschen verändert.

Die Grundlage aller gentechnologischen Methoden ist die Universalität des genetischen Codes. Das heißt, dass der genetische Code in allen Organismen, sowohl in Bakterien als auch beim Menschen, identisch ist. Die klassischen gentechnischen Verfahren beruhen darauf, dass man gezielt das Ergbut verändert indem man artfremde Gene hinzufügt.

Die Gentechnik ist schon seit den 90er Jahren in der Lage Bakterienzellen so umzuprogrammieren, dass sie ein gewünschtes Produkt, wie zum Beispiel das Menschliche Wachstumshormon, künstlich herstellen.

Für die Gen-Synthese wurden spezielle DNA-Synthesizer entwickelt, die kleinere DNA Stücke zusammensetzen. Die DNA-Abschnitte müssen dann zum gewünschten Gen zusammengebaut werden. Am Ende entstehen genau definierte DNA-Moleküle mit einer bestimmten Aufgabe.
Um dieses fremde Gen in ein bereits bestehendes Erbgut einzubringen, muss nun das DNA-Molekül aufgeschnitten werden, das gewünschte Stück eingefügt, und die beiden Enden wieder zusammenkelebt werden.
Dazu braucht man zwei Hilfsmittel, nämlich Restriktionsenzyme als Schere und DNA-Ligasen als Kleber.

Restriktionsenzyme und DNA-Ligasen

Die Restriktionsenzyme sind das wichtigste Werkzeug bei der Gentechnik. Sie dienen als Enzymscheren, die die DNA an ganz bestimmten Stellen aufschneiden. Es wurde bereits eine ganze Reihe von Restriktionsenzymen aus Bakterien isoliert. Manche von ihnen schneiden den DNA Doppelstrang so, dass ein glattes Ende entsteht. Besser ist es allerdings, wenn sie so schneiden, dass jeweils ein einsträngiges Ende übersteht. Diese nennt man sticky ends. Damit lassen sich später die Enden besonders gut zusammenfügen.

Die DNA-Ligasen verbindet die Enden wieder miteinander.

Ist das Experiment geglückt, so liegt nun ein Plasmid vor, in das die gewünschte DNA eingebaut ist. Diese nennt man Hybridplasmid. Die DNA muss nun identisch vermehrt werden. Dazu muss sie in Bakterien eingeschleust werden.

Durch Vektoren gelangt es die freie DNA in einen Organismus einzuschleusen.
Vektoren können z.B. Bakterien oder Viren sein. Es gibt aber auch andere Methoden um DNA einzuschleusen.

Wurden die DNA erfolgreich eingeschleust, erfolgt der gewünschte Gentransfer normal nur bei einem Teil der Empfängerzellen. Diese müssen gefunden und selektiert werden.
Deswegen fügt man zu dem gewünschten Gen zusätzlich noch ein Markergen ein, die zum Beispiel zur Produktion eines Farbstoffes führen. Bei einem erfolgreichen Gentransfer werden somit beide Gene übertragen. Die Bakterienkolonien können nun mithilfe der Markergene indentifiziert und selektiert werden.
Inzwischen wurden auch Methoden entwickelt, Markergene nach erfolgter Selektion wieder zu entfernen. Das Herausschneiden der Marker-DNA gelingt auch mit Restriktionsenzymen.
Die künstlich erzeugten Gene müssen identisch geklont (kloniert) werden.
Dazu eignen sich besonders gut Bakterien. Dieser Prozess findet in Fermentern statt. Dabei werden die Bakterien mit dem gewünschten Gen in einer Reinkultur vermehrt.

Aber wie findet man die gewünschten DNA Stücke überhaupt?
Dazu verwendet man kleine DNA-Stücke, die jeweils komplementär zu den gesuchten Genabschnitten sind. Sie docken dann als Gensonden gezielt an allen DNA Abschnitten an, die die gesuchte Basensequenz besitzen.
Um sie später zu finden, haben sie meist eine schwach radioaktive Markierung, die später einen Farbstoff bilden.
Damit so eine Gensonde wirksam werden kann, muss aber zunächst der DNA Doppelstrang zerleget werden. Das Auftrennen der Doppelhelix geschieht zum Beispiel durch Wärme.
Die Gensonden wirken sehr spezifisch. Die DNA-Abschnitte können aus tausenden von Abschnitten gefunden werden. Das kann auch dazu dienen, bestimmte DNA Abschnitte die zu einer Erkrankung führen zu finden.
In der Diagnostik von Infektionskrankheiten lassen sich Erregerarten mit solchen Gensonden zeilsicher finden.

Für verschiedene Identifikationsverfahren werden Sammlungen von DNA-Stücken gelagert.
DNA kann aus dem Erbgut von allen Zellen gewonnen werden. Es kann aber auch chemisch hergestellt werden. Es lassen sich auf intronfreie DNA-Moleküle synthetisieren. Diese nennt man dann cDNA (copy DNA).
Retroviren wie HIV besitzen als Erbgut RNA. Diese wird durch das vireneigene Enzym in DNA umgeschrieben. Man konnte dieses Enzym aus Retroviren isolieren und aus DNA aus RNA herzustellen.

Trotz aller Vorteile die sich aus Gentechnik ergeben, steht sie oft im Widerstreit der öffentlichen Meinungen. Geklonte Tiere und riesige Mäuse sind eigentlich schon Gründe genug um sich gegen die Gentechnik zu stellen.
Trotzdem eröffnen sich durch diese Technologie faszinierende Möglichkeiten. Bakterien können neue Medikamente herstellen, die sauberer und billiger als zuvor waren. Pflanzen können so verändert werden, dass sie mehr Ertrag bringen und gegen Schädlinge resistent sind. Zellen, die wegen einem genetischen Defekt ihre Aufgabe nicht erfüllen, können entnommen werden, “repariert” und wieder eingefügt werden. Das eröffnet völlig neue Wege zur Heilung von Krankheiten.
Trotzdem kann diese Technik ausgenutzt werden, da sich damit auch Embryonen künstlich erzeugbar wären - ganz nach dem Wunsch der Eltern. Das Thema bleibt nach wie vor umstritten.