Werkzeuge der Gentechnik — Theoretisches Material. Biologie, 12. Schulstufe.

Als Gentechnik bezeichnet man den gezielten Eingriff in das Erbgut von Organismen. Werden dabei Gene eines Organismus in einen anderen verpflanzt so erhält man transgene Organismen (man spricht auch von rekombinanter DNS). Diese vereinigen (im Idealfall) positive Eigenschaften verschiedener Arten. Eine medizinische Anwendung der Gentechnik ist die Behebung von Gendefekten bei Erbkrankheiten.

Für gentechnische Prozeduren kommen folgende Verfahren zum Einsatz:

Restriktionsenzyme: Diese zerschneiden die DNS an ganz bestimmten Stellen. Jedes Restriktionsenzym schneidet an einer spezifischen Basensequenz (z. B. AATT). Indem die passenden Restriktionsenzyme gewählt werden, kann der Abschnitt, der das gewünschte Gen enthält, herausgeschnitten werden.
Klonierung und PCR (Polymerase Chain Reaction): Das sind Verfahren, um DNS-Abschnitte zu vervielfältigen.
Vektor: Ein Vektor transferiert den DNS-Abschnitt in eine andere Zelle. Dafür werden beispielsweise Viren oder Bakterien-Plasmide (ringförmige DNS) verwendet.
Ligasen fügen den transferierten DNS-Abschnitt in Plasmide ein. (siehe Abb. unten)
Genmarker werden verwendet, um festzustellen, ob der gewünschte DNS-Abschnitt tatsächlich in der Zielzelle angekommen ist. Dabei handelt es sich um Gene, die leicht nachzuweisen sind und die an den zu transferierenden Gen-Abschnitt angehängt werden. Kann der Marker in der Zielzelle nachgewiesen werden, so ist dies der Beweis für den erfolgreichen Transfer des gewünschten Gen-Abschnitts und des Markers. Verwendung findet zum Beispiel das Luziferase-Gen, welches dazu führt, dass die Zielzelle zu leuchten beginnt. Für Bakterien werden häufig Antibiotika-Resistenzgene als Marker verwendet. Ist das Zielbakterium gegen das Antibiotikum resistent, so weiß man, dass der gewünschte Abschnitt ebenfalls transferiert wurde.

Werkzeuge der Gentechnik

Wichtig!

Bei der Gentechnik wird ein DNS-Abschnitt aus einer Zelle herausgeschnitten (durch Restriktionsenzyme), vermehrt (durch PCR), in eine Zielzelle transferiert (durch einen Vektor) und in die Ziel-DNS eingebaut (durch Ligasen). Der Transfer kann durch Genmarker kontrolliert werden.

Medizinische Anwendungen der Gentechnik

Ein großer Erfolg der Gentechnik ist die Insulin-Produktion. Diabetespatienten müssen dem Körper Insulin zuführen, das dieser nicht mehr selbst herstellen kann. Vor der gentechnischen Produktion musste das Insulin aus der Bauspeicheldrüse von Schweinen gewonnen werden. Das Schweineinsulin war in der Herstellung teuer und wurde nicht von allen Patienten gut vertragen. Mithilfe der Gentechnik wurde das menschliche Insulin-Gen in einen Hefepilz transferiert. Nun kann der transgene Hefepilz in großen Metallbehältern (Fermentern) vermehrt werden. Dabei produziert der Hefepilz die ganze Zeit menschliches Insulin. Das Insulin kann anschließend aus dem Hefebrei gewonnen werden.

Des Weiteren hofft man in Zukunft manche Erbkrankheiten gentechnisch heilen zu können. Wenn es sich um eine Erbkrankheit handelt, bei der ein Gen betroffen ist, das nur wenige Zellen verwenden, besteht die Hoffnung, diesen Zellen ein gesundes Gen einzuschleusen.

Beispiel:

Cystische Fibrose (CF = Mukoviszidose) ist eine der schlimmsten Erbkrankheiten, die durch die Vererbung eines defekten, rezessiven autosomalen Gens auf Chromosom \(7\) entsteht. Die ungefähre Lebenserwartung der ca. \(8000\) Patienten in Deutschland beträgt weniger als \(30\) Jahre. Das betroffene Gen wird von Drüsenzellen benötigt. Ist das Gen defekt, wird von den Drüsenzellen ein zähflüssiger Schleim produziert. Häufige Entzündungen der Lunge und Bauchspeicheldrüse sowie Erstickungsanfälle sind die Folge. Man hofft nun, das gesunde Gen mit einem Virus als Vektor in die Drüsenzellen der Lunge, einzuschleusen. Da nur die oberen Hautschichten und nicht die darunter liegende Keimschicht behandelt wird, ist die Behandlung nur solange wirksam bis die oberen Hautschichten durch die Keimschicht neu gebildet werden.