Inhalt. Glossar 5-8 VORSCHAU. Kap. I: Wichtige Grundlagen der Gentechnik 9-28

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1 Inhalt Inhalt 3 Vorwort 4 Glossar 5-8 Kap. I: Wichtige Grundlagen der Gentechnik Gentechnik Eine kurze Zeitreise Zelluläre Organisation Zellaufbau & Zellorganellen Der Zellkern als Träger der Erbinformation DNA Aufbau & Bedeutung Was ist ein Gen? Vom Gen zum Merkmal Teil 1: Transkription Vom Gen zum Merkmal Teil 2: Proteinbiosynthese (Translation) Der universelle genetische Code Kap. II: Klassische Verfahren der Gentechnik Mutation und Selektion als Motoren der Evolution Angewandte Genetik Züchtung Angewandte Genetik Reproduktionsmedizin Gentechnik als Waffe gegen Erbkrankheiten Kap. III: Moderne gentechnische Verfahren und Werkzeuge Das natürliche Spleißen als Ideengeber für die Gentechnologie Genetische Scheren & Werkzeuge Das Gen-Taxi zur Übertragung von Fremd-DNA Vektoren Was ist ein Plasmid? Die DNA-Wanderung im elektrischen Feld Gelelektrophorese Genetischer Fingerabdruck & Genkrimi Die Revolution in der Gentechnik PCR Der Regenbogen der Gentechnik Kap. IV: Gentherapie Gentherapie Chancen & Risiken der Wunderwaffe Gentechnik 59 Kap. V: Lösungen zu den Übungsaufgaben Seite 3

2 Vorwort Liebe Kolleginnen und Kollegen, seit im 16. Jahrhundert das erste Mal ein Mensch eine Zelle unter einem Mikroskop sehen konnte, sind über 400 Jahre vergangen. Seither hat sich das Wissen um die Biologie explosionsartig vervielfacht. Speziell die biologischen Disziplinen der Biotechnologie und Gentechnik haben sich seit den 1970er Jahren immer mehr ins Zentrum der biologischen Forschung gebracht. Die Forschungsmethoden und Verfahren, sowie die eingesetzten genetischen Werkzeuge wurden immer anspruchsvoller und exakter. Es ist bereits gelungen, Fremd-DNA in das Genom einer anderen Art einzuarbeiten. Unsere Kulturplanzen sind häuig gentechnisch dahingehend verändert worden, dass sie höhere Erträge bringen und gleichzeitig resistenter gegen Krankheiten und Spritzmittel sind. Auch für uns Menschen ist die Gentechnik mittlerweile sehr wichtig geworden, beispielsweise für die Herstellung von Medikamenten und Impfstoffen. In den Medien ist die Gentechnik ständig präsent und in aller Munde. Es gibt heutzutage kaum noch einen Krimi ohne professionelle Forensiker, die in weißen Overalls die Tatorte systematisch durchsuchen und schließlich mit Hilfe kleinster Partikel den genetischen Fingerabdruck des Täters ermitteln. Ein Grund mehr, dieses spannende Gebiet schülergerecht zu beleuchten. Dabei wurde das Buch in vier große Kapitel eingeteilt, die neben einer ausführlichen Darstellung der Grundlagen auch klassische und moderne Gentechniken miteinander vergleicht. Anschließend wird die Gentherapie als medizinische Behandlungsmöglichkeit erörtert. Abschließend werden die Chancen und Risiken der Gentechnik für die Menschen kritisch diskutiert. Zu jedem Kapitel gibt es neben informativen Wissenstexten auch Übungsaufgaben, die die Schüler mit Hilfe der Texte lösen können. Die fett markierten Begriffe in den Texten sind im Glossar noch einmal alphabetisch geordnet aufgeführt. Das Glossar kann den Schülerinnen und Schülern auch als Lernhilfe ausgeteilt werden. Jedes Unterkapitel kann auch alleine im Unterricht eingesetzt werden, weshalb auf eine durchgängige Nummerierung der Übungsaufgaben verzichtet wurde. Viel Freude und Erfolg mit der vorliegenden Gentechnik wünschen Ihnen der Kohl-Verlag und Bedeutung der Symbole: Dipl.-Biologe Stefan Lamm Einzelarbeit PA Partnerarbeit Seite 4 GA Arbeiten in kleinen Gruppen GA Arbeiten mit der ganzen Gruppe

3 Glossar Seite 6 Ejakulat Elongation Endonuklease Endoplasmatisches Retikulum (glattes & raues ER) Entarten Enzym Erythrocyt Eukaryota Evolutionsbiologie Exon Forensik Freie Radikale Gelelektrophorese Gen Genexpression Genom Genort Genotyp Gentechnik Gentransfer Gewebe Glukagon Golgi-Apparat Guanin Haploid Herbizid Heterosiseffekt Heterozygot Histone Homolog Homozygot ICSI Insemination Durch sexuelle Stimulation abgegebene Flüssigkeit, die neben Spermien noch zusätzliche Sekrete der Prostata enthält. Ein sich vielfach wiederholender Vorgang, bei dem große Moleküle, wie DNA oder Proteine schrittweise aufgebaut werden. Enzym, das DNA/RNA im Inneren der Ketten aufspalten kann. Zellorganell, das der Entgiftung der Zelle dient. Man unterscheidet danach, ob an das endoplasmatische Retikulum Ribosome angelagert sind (raues ER) oder nicht (glattes ER). Sich fehlentwickelnde, ins Negative wendende Eigenschaft. Die Entartung von Zellen führt meist zu Tumoren bzw. Krebs. In der lebenden Zelle gebildete organische Verbindung, die den Stoffwechsel des Organismus steuert Rotes Blutkörperchen für den Sauerstofftransport im Blut Vertreter der Lebensformen, die echte Zellkerne tragen. Man spricht von höheren Zellen. Bsp. Pflanze, Tier und Mensch Teilgebiet der Biologie, das sich mit der Artentwicklung befasst. Abschnitt eines Gens, der die nötige Information für die Erzeugung von Proteinen enthält. Gegenteil: Intron. Gerichtsmedizin. Wichtiger Teil der Polizeiarbeit. Reaktionsfreudige Verbindungen, in denen einzelne Atome noch nicht vollständig gesättigt sind. Verfahren zur Trennung elektrisch geladener Teilchen auf einem Gel unter dem Einfluss von elektrischer Spannung. Durch die individuelle Aufteilung können Vaterschaften bewiesen und Täter juristisch überführt werden. DNA-Abschnitt als Träger einer Erbanlage, der die Ausbildung eines bestimmten Merkmals bestimmt. Die Aktivierung der genetischen Substanz zur Ausbildung von Strukturen und Funktionen der Zelle Die Gesamtheit der Gene einer Zelle. Stelle im Genom, auf der ein bestimmtes Merkmal gespeichert ist Gesamtheit der Erbfaktoren eines Lebewesens. Teilgebiet der Biologie zur Erforschung/Manipulation der Gene Übertragung fremder Erbanlagen in das Genom einer zweiten Art Verband von Zellen mit annähernd gleichem Aufbau u. Funktion Hormon der Bauchspeicheldrüse. Wirkt als Gegenspieler zum Insulin blutzuckersteigernd. Gesamtheit aller Dictyosome in einer Zelle Eine der 5 Nukleinbasen und Bestandteil der DNA und RNA. Einen einfachen Chromosomensatz aufweisen (Spermien/Eizelle) Pflanzenvernichtungsmittel Ertragssteigernder Effekt der sich einstellt, wenn zwei reinrassige Arten gekreuzt werden. Mischerbig. Die Gene für ein bestimmtes Merkmal sind auf den beiden Partnerchromosomen nicht identisch. Proteine, die für die gewundene Form der DNA verantwortlich sind. Strukturgleiche Chromosome von Mutter und Vater, die sich in der Meiose miteinander paaren. Reinerbig. Die Gene für ein bestimmtes Merkmal sind auf den beiden Partnerchromosomen identisch. Verfahren in der Reproduktionsmedizin, bei der ein Spermium mithilfe einer Kanüle direkt in die zuvor punktierte Eizelle injiziert wird. Zuvor wurde per Hormonstimulation eine gesteigerte Eireifung im Eierstock veranlasst. Verfahren in der Reproduktionsmedizin, bei dem Spermien aus dem Ejakulat des Mannes entnommen und mit einem langen Katheter direkt in die Gebärmutter überführt werden.

4 I. Wichtige Grundlagen der Gentechnik 1.1 Gentechnik Eine kurze Zeitreise Die Zellenlehre (Cytologie) ist ein Teilgebiet der Biologie, das sich mit dem Aufbau von planzlichen und tierischen Zellen befasst. Es erforscht die Funktionen der Bestandteile einzelnen Zellen. Die ersten wissenschaftlichen Entdeckungen dazu gelangen dem englischen Naturforscher Robert Hooke ( ), der in seinem 1665 erschienenen Werk zum ersten Mal den Begriff der Zelle einführte. Durch die ständige Verbesserung der (Licht-) Mikroskope gelang es dem Niederländer Antonie van Leeuwenhoek ( ) im Jahre 1702 als erstem Menschen Zellkerne in tierischem Gewebe zu sehen. Als Geburtsjahr der klassischen Zellenlehre gilt das Jahr 1855, in dem Rudolf Virchow ( ) seinen berühmten Satz Omnis cellula e cellula formulierte, was soviel bedeutet wie jede Zelle entsteht aus einer Zelle. Somit wurde klar, dass die Zelle die kleinste lebensfähige Einheit ist konnten Forscher der Universität Jena die einzelnen Phasen der Kernteilung bei höheren Zellen aufklären und beschreiben. Wilhelm von Waldeyer-Hartz, ein deutscher Anatom an der Universität Straßburg, beschrieb 1888 seine Entdeckung fädiger Strukturen, die er Chromosomen nannte und wenige Zeit später als Träger der Erbinformation erkannt wurden. Neben der Lichtmikroskopie wurden im Laufe der Jahre noch weitere optische Verfahren und dazu passende Mikroskope entwickelt, wie beispielsweise Phasenkontrast-, Polarisations- und Fluoreszenzmikroskope. Die bahnbrechende Entwicklung des ersten Elektronenmikroskops durch Ernst Ruska ( ) an der Freien Universität Berlin ebnete im Jahr 1931 den Weg für viele Entdeckungen. Ruska erhielt für die Erindung des Elektronenmikroskops den Nobelpreis für Physik. Die Bedeutung der Elektronenmikroskopie für die heutige Forschung in Biologie und Medizin kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. In den 1970er Jahren begannen die Forscher damit, die entdeckten Erbinformationen gezielt zu analysieren und mit Hilfe verfeinerter molekulargenetischer Methoden zu verändern. Das Teilgebiet der Gentechnologie wurde zu einem der wichtigsten Pfeiler innerhalb der Biologie. Man entdeckte, dass man die Erbinformation mit speziellen Enzymen gezielt aufschneiden und wieder vereinen kann. Auch ist es möglich, Teile der Erbinformationen einer Art in ein artfremdes Genom einzufügen. Diese neuen Techniken ermöglichen der Menschheit die Bekämpfung vieler Erbkrankheiten, gegen die bisher keine Heilverfahren zur Verfügung standen. In unverantwortlichen Händen kann die Gentechnologie großen, irreparablen Schaden anrichten, weshalb es auch strenge Gesetze zur Einhaltung internationaler Richtlinien gibt. Die Gentechnologie kann als die moderne Büchse der Pandora betrachtet werden. Im Jahr 2008 begannen die Arbeiten am Ernst-Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie an einem bedeutenden Forschungszentrum in Deutschland. Für rund 15 Mio. Euro wurde dort ein Elektronenmikroskop errichtet, das mit einer Aulösung von 0,05nm zu den aulösungsstärksten Mikroskopen weltweit zählt. Die Einheit Nanometer (nm) beschreibt die Größe die übrig bleibt, wenn ein Meter in 1 Milliarde gleichgroße Teile aufgeteilt wird. Zum Vergleich wäre ein normaler Virus mit einer Größe von 10nm etwa 200mal größer als die kleinstmögliche Aulösung. Die DNA-Doppelhelix hat einen ungefähren Durchmesser von 2nm und kann mit diesem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden. Seite 9

5 I. Wichtige Grundlagen der Gentechnik 1.3 Zellaufbau & Zellorganellen Die ungeheure Vielfalt der heute lebenden Tierund Planzenarten sind alle auf eine tierische, bzw. planzliche Grundform der Zelle zurückzuführen. Diese planzliche Grundform liegt dem Gänseblümchen (lat. Bellis perennis) ebenso zu Grunde, wie dem Mammutbaum (lat. Sequoiadendron giganteum). Die Grundform der tierischen Zelle haben sowohl die Honigbiene (lat. Apis mellifera), als auch wir Menschen gemeinsam. Alle Lebensformen sind aus Zellen aufgebaut. Die einzelnen Zellen können zwar im Aussehen variieren, was daran liegt, dass sie verschiedene Aufgabe übernehmen, in ihrem zellulären Aufbau sind sie aber gleich. Alle Zellen besitzen den typischen Aufbau und die typischen Zellbestandteile. Diese Bestandteile werden als Organellen bezeichnet, da sie die Funktionen der Zelle ähnlich unserer Organe übernehmen und nur das erfolgreiche Zusammenspiel aller Organellen das Überleben sichert. Der Unterschied zwischen planzlichen und tierischen Zellen liegt darin, dass planzliche Zellen über drei Zellbestandteile verfügen, die es bei tierischen Zellen nicht gibt. Zum einen gibt es außen um die Zelle herum eine zusätzliche Zellwand. Diese Schicht ist aus Cellulose aufgebaut und erfüllt für die Planze eine stützende Funktion. Darüber hinaus gibt es sogenannte Vakuolen. Diese Organellen nehmen einen Großteil des Zellraumes bei Planzen ein. Es sind lüssigkeitsgefüllte Tröpfchen, die als Speicherort für Zucker und als Deponie für giftige Abfallprodukte dienen. Die Bedeutung der Vakuolen kennt man aus dem Alltag. So fällt beispielsweise ein Salat mit der Zeit in sich zusammen, wenn er lange mit Essig Kontakt hatte. Das liegt daran, dass der saure Essig den Vakuolen das Zellwasser entzieht. Die Folge ist ein verwässerter Essig und verwelkte Salatblätter. Auch eukaryote Einzeller können noch Vakuolen besitzen, dann dienen sie der Nahrungsaufnahme und Verdauung. Die typischsten Bestandteile bei planzlichen Zellen sind die Chloroplasten. Diese Organellen sind unter dem Mikroskop als grüne Punkte zu erkennen und damit auch für die grüne Farbe der Planzen verantwortlich. Die Planzen können mit ihrer Hilfe die Sonnenlichtenergie dazu benutzen, Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) in komplizierten chemischen Vorgängen (Photosynthese) in Zucker (C 6 H 12 O 6 ) und Sauerstoff (O 2 ) umzuwandeln. Die Photosynthese ist der Motor, der das Leben auf der Erde in Gang hält, denn ohne sie gäbe es weder Obst und Gemüse, noch Sauerstoff zum Atmen. Jede Zelle wird nach außen von einer Plasmamembran umschlossen. Sie dient der Zelle als Barriere und Vermittler zur Außenwelt. So trägt die bewegliche Membran unzählige Rezeptoren, mit deren Hilfe sie Signale von außen oder den Nachbarzellen wahrnehmen kann. Die Plasmamembran umschließt einen mit Zellplasma gefüllten Raum, den wir als Zelle bezeichnen und in dem sich mehrere Organellen beinden. Das Zellplasma dient dem Stofftransport. Die wohl bekanntesten Organellen sind die Kraftwerke der Zelle, also die mit einer Doppelmembran umhüllten Mitochondrien. Sie dienen der Zellatmung. In besonders sauerstoffverarbeitenden Zellen, wie unserer Muskulatur, ist die Anzahl der Mitochondrien deutlich erhöht, um den gesteigerten Sauerstoffbedarf zu decken. Jede Zelle besitzt ein Membransystem, das dem Transport unterschiedlichster Komponenten innerhalb der Zelle dient. Dieses Röhrensystem wird als endoplasmatisches Retikulum (ER) bezeichnet und dient der Zelle zur Entgiftung. Man unterscheidet zwischen dem glatten ER und dem rauen ER, je nachdem ob Ribosome anlagern (rau) oder nicht (glatt). Seite 13

6 I. Wichtige Grundlagen der Gentechnik Aufgabe 2: Beschrifte die Schemazeichnung der tierischen Zelle. Aufgabe 3: Dictyosom (A) e. Rei ulu B Zellkern (C) Mitochondrium (D) Lysosom (E) Chloroplast (F) Vakuole (G) Ribosom (H) Zellwand (I) Zellplasma (J) Mikrotubuli Zentralkörperchen Membranvesikel Beschrifte die Schemazeichnung der tierischen Zelle. stütze de Hülls hi ht aus Cellulose; ur ei Pla ze 11 Ort der Tra slaio, auf e dopl. Rei ulu aufgelagert (3) liegt innerhalb des Zellkerns und trägt die DNA )elllüssigkeit, i ihr "s h i e " die Orga elle Lager u d Tra sport eg für Sekretstofe; Golgi-Apparat i t a. % des )ell olu e s; Ort der Tra skripio Röhre syste, das der E tgitu g die t; glat u d rau große lüssigkeitsgefüllte Tröpf he ; Spei heraufga e Krat erk der )elle; ist für die )ellat u g zustä dig Ort der Photosy these; ur ei Pla ze Nucleolus (K) (11) Flüssigkeitströpfchen als Speicherort für Enzyme Seite 15

7 I. Wichtige Grundlagen der Gentechnik Aufgabe 2: Warum benötigen rote Blutkörperchen keinen Zellkern mehr? Aufgabe 3: Aufgabe 5: Die Transkription indet im Zellkern statt. Warum nicht die Translation? Aufgabe 4: Wie gelangt die genetische Information vom Zellkern zu den Ribosomen? In der Schemazeichnung des Zellkerns sieht man, dass der Zellkern Kernporen hat. Welchem Zweck dienen diese Poren? Aufgabe 6: Was besagt die Kern-Plasma-Relation? Seite 17

8 III. Moderne gentechnische Verfahren und Werkzeuge Aufgabe 1: Was versteht man unter dem genetischen Fingerabdruck? Aufgabe 3: Aufgabe 2: An Tatorten werden immer Spuren des Täters gesucht. Welche Spuren können das sein und warum? Wann kommt die gentechnische Forensik an ihre Grenzen? Aufgabe 4: Was ist eine Chimäre? Seite 50

9 III. Moderne gentechnische Verfahren und Werkzeuge Die Einsatzgebiete der PCR sind vielfältig. Neben der Ermittlungsarbeit bei der Kriminalistik (genetischer Fingerabdruck) kommt die PCR auch bei Vaterschaftstests zur Anwendung. Nach Vervielfältigung kleinster Proben mit Hilfe der PCR und gelelektrophoretischer Auftrennung lassen sich Verwandtschaftsbeziehungen erkennen. Auch in der Evolutionsbiologie können mit ihrer Hilfe Verwandtschaftsgrade zwischen unterschiedlichen Tier-, und Planzenarten ermittelt werden. Auch bei der Diagnose von Erbkrankheiten kommt die PCR zum Einsatz. Die Bekämpfung von viralen Krankheiten ist medizinisch nicht einfach. Da ein Virus keine Lebensform ist, kann er auch nicht abgetötet werden. Antibiotika, also Medikamente, die gegen (anti) das Leben (griechisch: bios) wirken, sind im Einsatz gegen Viren nicht sinnvoll. Zur Bekämpfung eines Virus muss dieser erst identiiziert werden. Auch hierbei liefert die PCR hilfreiche Dienste. So können beispielsweise Hepatitis B oder HIV erkannt werden. Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Warum ist die PCR ein Verfahren, das die Polizeiarbeit revolutioniert hat? Wer ist Kary Mullis? Was ist das Grundprinzip der PCR? Warum spricht man von einer Kettenreaktion? Seite 52

10 III. Moderne gentechnische Verfahren und Werkzeuge 3.8 Der "Regenbogen" der Gentechnik Seite 54 Gentechnik ist ein Überbegriff für Methoden und Techniken bei denen das Erbgut eines Lebewesens künstlich verändert wird, um Fähigkeiten und Eigenschaften zu erhalten, die mit dem natürlichen Erbgut nicht möglich waren. Dabei wird das Genom eines Lebewesens in vitro (im Reagenzglas) oder in vivo (im lebenden Organismus) verändert und neu zusammengesetzt. Es entstehen transgene Lebensformen, also Organismen, deren Erbgut zum Teil aus Fremd-DNA besteht. Dabei können auch die Artgrenzen überschritten werden. Das Erbgut einer bestimmten Art kann mit dem Erbgut einer anderen Art kombiniert werden, da der genetische Code universell ist. Die Wissenschaft, die sich mit Gentechnik beschäftigt wird als Biotechnologie bezeichnet. Die Tätigkeitsfelder der biotechnologischen Unternehmen lassen sich nach den Regenbogenfarben gliedern, wobei die Bereiche rot, grün und weiß die klassischen Vertreter sind. In den Klammern sind die prozentualen Anteile der einzelnen Bereiche innerhalb der Biotechnologie angegeben. 1. Rote Gentechnik (Medizin, 72%): Die medizinischen Einsatzgebiete der Biotechnologie werden als rote Gentechnik bezeichnet. Die Farbe Rot steht für das Blut als Forschungsmedium. Ziel dieses Teilbereiches der Biologie ist die Erforschung und Bekämpfung von Erbkrankheiten und Viruserkrankungen, ebenso die Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe. 2. Grüne Gentechnik (Landwirtschaft, 13%): Hierunter versteht man die Anwendung gentechnischer Verfahren an grünen Planzen für die landwirtschaftliche Nutzung. Es entstehen Hybridplanzen, die herbizid- und insektenresistent sind. Ziel dieser Gentechnik ist die Erschaffung von Nutzplanzen mit einem möglichst gesunden, hohen Ertrag und einer guten Robustheit gegenüber äußeren Einlüssen und Krankheitserregern. 3. Weiße Gentechnik (Industrie, 13%): Dies ist ein relativ junger Zweig der Biotechnologie und beschreibt den Einsatz gentechnischer Verfahren, die industriellen Nutzen bringen. So werden beispielsweise gentechnisch produzierte Enzyme in der Waschmittelindustrie eingesetzt, um Verschmutzungen in der Kleidung noch intensiver, aber gleichzeitig umweltschonender bekämpfen zu können. Die folgenden Bereiche stellen Unterdisziplinen dar, die Teilaspekte mehrerer Hauptdisziplinen enthalten können. Eine genaue Abgrenzung ist daher nicht immer eindeutig. 4. Blaue Gentechnik (Meeresressourcen, >1%): Hierunter werden Verfahren zusammengefasst, die sich mit Lebensformen aus dem Meer befassen. Schwerpunkt dieses Forschungsbereiches sind derzeit Tiefseebakterien, die extremsten Lebensbedingungen standhalten können. Sie müssen neben enormem Druck auch hohe Temperaturen aushalten. Die Plasmide solcher extremen Überlebenskünstler sind als Merkmalsträger begehrt, um diese besonderen Information weiterzugeben. 5. Braune Gentechnik (Umweltschutz, >1%) Die braune Gentechnik stellt eine Unterdisziplin dar, die sich nicht generell von der weißen oder grauen Gentechnik abgrenzen lässt. Wenn die Maßnahme rein dem Umweltschutz dient, dann werden weiße oder graue Gentechniken auch als braun bezeichnet. So wurden beispielsweise Mikroorganismen industriell erzeugt, die Altöl abbauen können. Diese Organismen kommen nun bei Schiffsunglücken mit ausgelaufenem Schweröl im Ozean zum Einsatz. Diese Arbeit dient der Umwelt, hat aber industrielle, also inanzielle Aspekte. Eine genaue Abgrenzung ist daher nicht möglich.