Grundlagen der Gentechnik. Über ihre medizinische Anwendung und Vorteile

Gliederung

1. Was ist Gentechnik?

2. Was sind die wissenschaftlichen Grundlagen der Gentechnologie?
2.1 Die Vielseitigkeit des genetischen Codes
2.2 Natürliche Gentransportmechanismen als Grundlage der Gentechnologie
2.2.1 Aufnahme von "nackter" DNA in Zellen

3. Sinn der Gentechnik

4. Nutzen der Gentechnik
4.1 Einsatzbereiche
4.2 Genetisch hergestellte Zusatzstoffe

5. Anwendungen der Gentechnik
5.1 Anwendungen in der Landwirtschaft
5.2 Beispiele zur Anwendung der Gentechnik
5.3 Anwendungen in der Tierzucht

6. Gefahren

7. Gentechnik in der Zukunft

8. Gentherapie

9. Argumente zur Gentechnik
9.1 Pro
9.2 Kontra

10. Erklärung einiger Begriffe
10.1 Der Aufbau des Organismus
10.2 Die Zelle
10.2.1 Aufbau der Bakterienzellen
10.3 Desoxyribonucleinsäure – DNA

1. Was ist Gentechnik?

Gentechnik ist einer der modernsten Gebiete der Biotechnologie und zeichnet sich durch die Anwendung von speziell biologischen Methoden in Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft oder Umwelt aus. Mit diesen Methoden ist eine gezielte Veränderung vererbter Eigenschaften eines Organismus durch Eingriff in dessen genetisches Material(Erbmaterial) möglich. Diese Methode wird häufig bei Mikroorganismen wie Bakterien oder Viren angewendet, um sie zur vermehrten Bildung bestimmter Stoffe oder zur Bildung völlig neuer Substanzen anzuregen. Seit etwa 10 Jahren spielt sie in der Forschung und in der Technik eine immer bedeutsamere Rolle. Gerade in den letzten Jahren hat die Gentechnik das rein experimentelle Stadium verlassen. Auch im Lebensmittelbereich sind die ersten gewinnbringenden Anwendungen auf den Markt gebracht worden. Fragen zur Sicherheit dieser neuartigen Lebensmittel und zu Verbraucherinformationen und Verbraucherschutz rücken daher verstärkt ins Interesse der Öffentlichkeit. Ein weiteres Gebiet der Gentechnik ist die medizinische Gentherapie. Dabei werden bei genetischen Störungen oder Erbkrankheiten wie AIDS oder Krebs Gene in bestimmte Körperzellen eingeschleust.

2. Was sind die wissenschaftlichen Grundlagen der Gentechnologie?

2.1 Die Vielseitigkeit des genetischen Codes

Menschen, Tiere und Pflanzen sind nach dem Baukastenprinzip aus Zellen aufgebaut. Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen sind sich sehr viel ähnlicher als die kompletten Organismen. Diese Ähnlichkeit wird auf dem Niveau der Moleküle noch ausgeprägter. So sind z.B. die Hormone vieler Säugetiere mit denen des Menschen fast identisch. Selbst zwischen den Eiweißmolekülen der Fliegen und denen des Menschen besteht eine erstaunliche Übereinstimmung. Besonders ähnlich ist die Art und Weise, in der die genetische Information für die Organismen im Zellkern der befruchteten Eizellen verpackt sind. Nicht nur die chemische Struktur der Erbsubstanz ist in allen Organismen gleich, sondern auch der genetische Code. Es wird nicht nur das gleiche Alphabet verwendet, sondern überall die gleiche Sprache geschrieben. Diese Tatsache, die man mit dem Begriff der "Universalität des genetischen Codes" beschreibt, ist der überzeugendste Beweis für den gemeinsamen Ursprung aller Organismen. Gentechnologie ist nur deshalb möglich, weil der genetische Code universell ist, d.h. er gilt in allen Organismen, so daß z.B. das Stück Erbinformation, das die Bauanleitung für ein menschliches Wachstumshormon enthält, eingebracht in ein Bakterium, dieses veranlassen kann, menschliches Wachstumshormon zu produzieren.

2.2 Natürliche Gentransportmechanismen als Grundlage der Gentechnologie

Kritiker der Gentechnologie werfen ihr vor, durch das Überspringen von Artgrenzen, die Schranken der Natur niederzureißen. Richtig jedoch ist, daß die Gentechnologie auf natürliche Methoden des DNA-Transfers zwischen Organismen zurückgreift. Entgegen der landläufigen Ansicht kann nämlich auch in der Natur Erbinformation zwischen verschiedenen Arten ausgetauscht werden und es sind vor allem diese Systeme, die von der Gentechnologie benutzt werden.

2.2.1 Aufnahme von "nackter" DNA in Zellen

DNA wird beim Tod von Zellen freigesetzt. Unter bestimmten Bedingungen können lebende Zellen diese DNA Moleküle aufnehmen und in ihr Genom integrieren. Enthält die DNA genetische Information, ändern sich die Eigenschaften der aufnehmenden Zelle. Diesen Transformation genannten Prozess benutzte in den 40er Jahren Avery zum Nachweis der DNA als Erbsubstanz. Als Gentechnologie werden die Versuche von Avery aber noch nicht bezeichnet, weil er die DNA vorher im Reagenzglas nicht modifiziert hatte. Dies gelang erst Cohen und Mitarbeitern 1972. Sie nutzten die Transformation, um ein Darmbakterium durch die Addition manipulierter DNA gegen bestimmte Antibiotika resistent zu machen. Damit war die Gentechnologie im engeren Sinne geboren.

3. Sinn der Gentechnik

Der Sinn der Gentechnik bei der Lebensmittelherstellung, die sich inzwischen mit rund 40 Nutzpflanzen befasst, ist ein vierfacher:

- Nachweis und Heilung von genetisch bedingten Krankheiten, - Optimierung der Herstellungsprozesse, - Verbesserung der Qualität, - Steigerung der Produktion von Nahrungsmitteln.

Dies soll zum einen dem Verbraucher dienen, zum anderen aber auch den Produzenten, die in harter Konkurrenz liegen mit den Herstellern aus anderen Ländern. Ein überzeugendes Beispiel ist in diesem Fall das Enzym Chymosin, das die Eindickung der Milch bei der Käseherstellung bewirkt. Man könnte es auf natürliche Weise aus dem Magen säugender Kälber gewinnen. Allerdings müßte man dazu weltweit etwa 70 Millionen dieser Jungtiere schlachten. Doch gentechnisch lässt es sich ohne große Schwierigkeiten mit Hilfe von Pilzen und Bakterien gewinnen.

4. Nutzen der Gentechnik

Die Methoden der Gentechnik weisen mehrere Möglichkeiten auf. Beispielsweise kann das Gen zur Bildung von Insulin, das sich normalerweise nur bei höher entwickelten Tieren findet, nun mit Hilfe eines Plasmidvektors in Bakterienzellen geschleust werden. Diese Bakterien können in großem Maßstab vermehrt werden und bilden so bei relativ geringen Kosten eine reichhaltige Quelle für so genanntes "rekombiniertes" Insulin. Außerdem ist die Produktion rekombinierten Insulins nicht von dem gelegentlich schwankenden Angebot an tierischem Bauchspeicheldrüsengewebe abhängig. Eine ebenso wichtige Anwendung der Gentechnik ist die Herstellung des rekombinierten Faktors VIII, des Blutgerinnungsfaktors, der Patienten mit Bluterkrankheit fehlt. Nahezu alle Bluter, die den Faktor VIII vor Mitte der achtziger Jahre erhielten, zogen sich AIDS oder Hepatitis zu, da das Spenderblut, aus dem der Faktor gewonnen wurde, mit Viren verseucht war. Seitdem wird Spenderblut auf HIV (das Aids-Virus) und das Hepatitis-C-Virus untersucht. Außerdem wurden Verarbeitungsschritte eingeführt, durch die diese Viren, sollten sie doch vorhanden sein, deaktiviert werden. Gänzlich ausgeschlossen wird eine Vireninfektion bei Verwendung des rekombinierten Faktors VIII. Andere Einsatzmöglichkeiten für die Gentechnik sind beispielsweise die Steigerung der Krankheitsresistenz landwirtschaftlicher Pflanzen, die Produktion pharmazeutischer Stoffe in der Tiermilch, die Entwicklung von Impfstoffen sowie das Erzielen bestimmter Eigenschaften in der Tierzucht.

4.1 Einsatzbereiche

Nicht nur Tiere und Pflanzen, die unmittelbar als Lebensmittel dienen, werden gentechnisch verändert, sondern auch Mikroorganismen, die Lebensmittel verändern und veredeln. Beispiele sind die klassischen biologischen Verfahren der Bier- und Weinproduktion oder der Reifung von Käse. Diese Prozesse können beschleunigt werden, der Nährwert von Lebensmitteln läßt sich erhöhen und die Energie und die Ressourcen werden besser genutzt. Des weiteren werden Mikroorganismen als Lieferanten für Zusatzstoffe, z.B. zum Konservieren genutzt.

4.2 Genetisch hergestellte Zusatzstoffe

Für die Lebensmittelproduktion sind Stoffe, wie z.B. Vitamine, Frucht- und Aminosäuren, Geschmacks- und Aromastoffe und Enzyme von großer Bedeutung. Durch die Verwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen, sogenannter Produzentenstämme, können Gewinn und Sauberkeit bei der Produktion gegenüber dem klassischen tierischen oder pflanzlichen Ursprung gesteigert werden. Die Mikroorganismen werden anschließend vom naturidentischen Endprodukt sorgfältig getrennt. Möglich ist so auch die Produktion von neuen Substanzen, z.B. Süßstoffen.

5. Anwendungen der Gentechnik

5.1 Anwendungen in der Medizin

Momentan wird die Gentechnologie in der Medizin hauptsächlich zur Gewinnung von Arzneimitteln durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen oder Zellen und zur Entwicklung diagnostischer Möglichkeiten angewandt. Als Ergebnis weltweiter Bemühungen in den verschiedensten Laboratorien konnten die ersten menschlichen Proteine aus Bakterien erhalten werden: Humaninsulin, Wachstumshormone, Relaxin, etc. und auch Impfstoffe wie z.B. für Hepatitis B. An einem Impfstoff für AIDS arbeitet man bekanntlich erwartungsvoll. 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 in baldiger Zukunft heilbar.

5.2 Anwendungen in der Landwirtschaft

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.

5.3 Anwendungen in der Tierzucht

In der modernen Tierzucht sind die extrakorporale Befruchtung, die Gefrierkonservierung von Embryonen und die Geschlechtszusammenstellung 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.

5.4 Beispiele zur Anwendung der Gentechnik

Milchsäurebakterien Diese Bakterien sind für die Herstellung von Joghurt, Quark und Käse notwendig. Durch entsprechende Veränderungen sollen unerwünschte Fremdbakterien bekämpft und die Reifung beschleunigt werden.

Bäckerhefen In Großbritannien ist bereits eine Hefe zugelassen, die einen schnelleren Teigtrieb bewirkt. Dieser Hefe wurde kein artfremdes Gen zugeführt, sondern die vorhandenen Gene wurden umgeordnet (Genrearrangements). Ein Prozeß, der auch in der Natur vorkommt. Diese Bäckerhefen stellen also keinen gentechnisch veränderten Organismus dar.

Bierhefen Die Veränderung von Bierhefen bewirkt eine Geschmacksverbesserung und verkürzt die gesamte Herstellung. Andere Hefen entfernen z.B. Nebenprodukte. Diese Biere sind noch nicht auf dem Markt.

6. Gefahren

Zwar ist der mögliche Nutzen der Gentechnik erheblich, doch birgt diese Technik viele Risiken. Beispielsweise könnte die Übertragung eines krebserzeugenden Gens in einen gewöhnlichen Krankheitserreger wie das Grippevirus äußerst gefährlich sein. Aus diesem Grund unterliegen Experimente mit rekombinierter DNA in den meisten Ländern strengen Bestimmungen. Experimente mit infektiösen Stoffen sind z. B. nur unter größten Vorsichtsmaßnahmen, die für strikte Isolierung sorgen, zulässig.

Eine weitere Befürchtung ist, dass trotz strengster Kontrollen Genmanipulationen unvorhergesehene Auswirkungen mit sich bringen könnten. Die Risiken der Gentechnik führten immer wieder zu erregten Diskussionen, so 1996 in Deutschland, als erstmals manipulierte Sojabohnen auf den deutschen Markt gebracht werden sollten.

7. Gentechnik in der Zukunft

In naher Zukunft wird uns die Gentechnik viele neue Möglichkeiten in diversen Bereichen ermöglichen. Diese Bereiche sind im folgenden beschrieben.  in der Medizin: ·

Erbkrankheiten können vielleicht geheilt werden, z.B.: Veitstanz kann mit Hilfe eines gentechnischen Eingriffs in den Körperzellen geheilt werden · körperliche Gentherapie · gentechnische Diagnosemethoden ermöglichen die meisten Krebsformen im Frühstadion zu erkennen · höhere Heilungschancen · durch gentechnisch hergestellte Proteine sollen bei Querschnittlähmungen durchtrennte Nervenfasern zum Wachsen anregen  bei der Ernährung und bei der Landwirtschaft: · Nach aktuellen Schätzungen wird die Weltbevölkerung von heute etwa 6 Milliarden bis 2020 auf über 8 Milliarden Menschen wachsen. Gleichzeitig gibt es ein starkes Wirtschaftswachstum in vielen Ländern Asiens und Lateinamerikas. Dort kommt es durch zunehmenden Wohlstand zu einer verstärkten Nachfrage an Fleisch, Milchprodukten und Eiern. Diese Nachfrage kann befriedigt werden, indem die Qualität und die Leistung gesteigert wird. · Obwohl bei unseren Industrieerdäpfeln ein breites Anwendungsgebiet vorhanden ist, sind nicht alle Inhaltsstoffe brauchbar. Außerdem sind sie kompliziert zu trennen. Durch die Gentechnik kann die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten verringert werden. · Nutzpflanzen, wie zum Beispiel Mais oder Reis können gegen Schädlinge und Krankheiten resistent gemacht werden · Rohstoffe werden in der Zukunft erneuerbar sein, da die Industrierohstoffe durch die Gentechnik hergestellt werden können (z.B. durch Raps oder Sonnenblumen)  Umwelt: · Belastete Böden werden mit Hilfe von Bakterien gereinigt · Genetische Methoden erhöhen Reinigungsleistung und passen sich speziell den Problemen des Bodens an.  Computer: · Das lichtempfindliche Eiweiß ,,Bakteriorhodopsin" ist ideal für das Aufzeichnen und das Verarbeiten von Bildern und Mustern. Wenn man es gentechnisch verändert, kann man dieses als Speichermedium einsetzen

(Licht übernimmt die Rolle des Stromes)

8. Gentherapie

Bei der Gentherapie werden bestimmte Gene in Zellen eingeschleust, denen die jeweilige, durch das Gen veranlasste Funktion fehlt, und zwar mit dem Ziel, vererbte Krankheiten zu heilen. Gentherapie lässt sich in zwei Kategorien unterteilen. In der ersten Kategorie werden Veränderung an Keimzellen (Ei- oder Samenzellen) vorgenommen, die eine bleibende genetische Veränderung des gesamten Organismus kommender Generationen zur Folge haben. Diese "Keimbahntherapie" kommt aus ethischen Gründen beim Menschen nicht in Erwägung. Die zweite Kategorie der Gentherapie ist die Körperzellentherapie. Sie lässt sich mit einer Organtransplantation vergleichen. Dabei werden Gewebezellen direkt behandelt oder zunächst entnommen. In diese Gewebezellen werden im Labor therapeutische Gene eingeschleust, dann werden die Zellen dem Patienten wieder implantiert. Es wurden bereits einige klinische Versuche der Körperzellentherapie unternommen, hauptsächlich zur Behandlung von Krebs, Blut-, Leber- und Lungenerkrankungen.

9. Argumente zur Gentechnik

9.1 Pro

- Gen-Diagnose ermöglicht das frühzeitige Erkennen von Krankheiten bei Ungeborenen - Gen-Therapie behandelt nicht mehr die Symptome von Krankheiten, sondern beseitigt die Ursachen. - Mit der Gentechnik lassen sich neue Medikamente erzeugen. - Genetisch umprogrammierte Mikroorganismen können Medikamente billiger und reiner herstellen. - Pflanzen lassen sich gentechnisch gegen Krankheiten und Schädlinge resistent machen; ertragreichere Sorten könnten den Hunger in der Welt lindern - Gentechnisch veränderte Lebensmittel sind gesünder als mit Pestiziden behandelte Früchte - Genetisch programmierte Mikroorganismen können neue Werkstoffe liefern - wie hochbelastbare Kunststoffe und biologische Datenspeicher. - Gentechnik kann die Natur besser an die Bedürfnisse des Menschen anpassen

9.2 Kontra

- Gendiagnose verstärkt die Intoleranz gegenüber allen, die nicht der gesundheitlichen Norm von "gesund" entsprechen. - Solange es keine Möglichkeit gibt, erkannte genetische Defekte zu heilen, wird die Gen-Diagnose die Zahl der Abtreibungen erhöhen - Gen-Therapie verführt dazu sich den Menschen, bzw. die Natur nach Maß zu schaffen - Genetische Daten lassen sich von Versicherern und Arbeitgebern zum Nachteil des einzelnen missbrauchen. - Es droht eine genetische Klassengesellschaft, in der die Menschen nach Erbanlagen eingestuft werden. - Gentechnisch veränderte Lebensmittel können Allergien hervorrufen. - Gentechnisch veränderte Mikroorganismen und Pflanzen können unerwünschte Gene unkontrolliert verbreiten. - Durch das Patentieren von Genen beuten Chemie- und Pharmakonzerne die genetischen Ressourcen der Dritten Welt aus, zum wirtschaftlichen Nachteil der dort lebenden Menschen.

10. Erklärung einiger Begriffe

10.1 Der Aufbau des Organismus

Alle Lebewesen - ob Bakterium, Pflanze, Tiere oder Mensch- sind aus Zellen aufgebaut. Eine Zelle ist die kleinste selbständig lebens- und vermehrungsfähige Einheit eines Lebewesens. Im Zellkern befindet sich bei höheren Organismen der Hauptanteil der Erbsubstanz, der Desoxyribonucleinsäure (DNS, engl. DNA). Sie ist aus nur vier verschiedenen Bausteinen aufgebaut, die durch die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin charakterisiert sind. In bestimmten Abschnitten des Moleküls, Gene genannt, liegen die "Bauanweisungen" für Eiweißstoffe verschlüsselt, die letztlich Bau und Funktion eines jeden Organismus bestimmen. Die Gesamtheit der Gene eines Lebewesens nennt man Genom. Das Genom des Menschen enthält ca. 50.000 bis 100.000 Gene. Einfache Bakterienzellen haben immerhin noch bis zu 5.000 Gene.

10.2 Die Zelle

Die Zelle ist die kleinste lebens- und vermehrungsfähige Einheit aller Lebewesen. Die einfachsten Lebewesen, die Bakterien, bestehen nur aus einer einzigen Zelle. Höhere Lebewesen wie Pflanzen, Tiere und die Menschen sind aus Billionen von Einzelzellen. Die Zellen sind nicht identisch. Der Mensch verfügt über ca. 200 verschiedene Zelltypen für unterschiedliche Aufgaben, wie  Erregungsübertragung bei Nervenzellen  Sauerstofftransport bei den roten Blutkörperchen  Muskelarbeit bei Muskelzellen Trotz unterschiedlicher Funktion und verschiedener Struktur besitzen alle Zellen prinzipiell den gleichen Grundaufbau. Die Hauptbestandteile einer Zelle sind:  Eiweißstoffe (Proteine)  Fette (Lipide)  ein geringer Anteil Zuckermoleküle (Kohlenhydrate) Alle Zellen sind zur Abschirmung vor der Umgebung durch eine Zellmembran geschützt. Manche Zellen, wie z.B. Pflanzenzellen, besitzen zusätzlich eine stabilere Zellwand. Außerdem läuft die gesamte Kommunikation der Zelle an oder über die Zellmembran ab. Im Innern der Zelle, dem Cytoplasma, spielen sich alle Stoffwechselvorgänge ab. Tier und Pflanzenzellen besitzen einen Zellkern, der die Erbinformation enthält. Im Cytoplasma befinden sich außerdem die Organellen für spezielle Aufgaben, wie z.B. die Produktion aller Eiweißkomponenten.

10.2.1 Aufbau der Bakterienzellen

Bakterienzellen sind einfacher aufgebaut als Pflanzen oder Tierzellen. Der wesentliche Unterschied: Sie besitzen keinen Zellkern. Die Erbinformation (Genom) liegt frei im Cytoplasma vor.

10.3 Desoxyribonucleinsäure - DNA

Alle Funktionen der Zelle beruhen auf dem Informationsgehalt der Erbsubstanz. Sitz der Erbinformation sind die Chromosomen im Zellkern. Der Chromosomensatz der Körperzellen ist meistens doppelt vorhanden. Die Geschlechtszellen verfügen über einen einfachen Satz. Jedes Lebewesen besitzt eine bestimmte Anzahl Chromosomen:

Mensch: 46 Fruchtfliege: 4 Karpfen: 104 Gerste: 14 Natternzunge: 480

Menschliche Körperzellen enthalten insgesamt 46 Chromosomen, davon 22 Paare "Autosome" = 44 Chromosomen und 2 Geschlechtschromosomen: ("Heterosome" XX = weiblich XY = männlich).

Bei der Bildung der Geschlechtszellen wird der Chromosomensatz halbiert, so daß menschliche Keimzellen 22 Autosomen und 1 Geschlechtschromosom (X oder Y) besitzen. Aus der Verschmelzung einer Ei- mit einer Samenzelle entsteht ein neues Individuum, das wiederum über den doppelten Chromosomensatz verfügt. Chromosomen bestehen aus Proteinen und der chemischen Substanz Desoxyribonucleinsäure (DNA).