Gentechnik. 1. Einleitung. 2. Definition. 3. Ziele. 4. Grundlagen der Gentechnik. 5. Methoden der Gentechnik Das Hauptprinzip der Gentechnik

Transkript

1 Gentechnik 1. Einleitung 2. Definition 3. Ziele 4. Grundlagen der Gentechnik 5. Methoden der Gentechnik 5.1. Das Hauptprinzip der Gentechnik Isolierung und Fragmentierung der Spender- DNA Isolierung und Aufschneiden des Vektors Verknüpfung der Vektor-DNA mit den Fragmenten der Spender-DNA Übertragung des rekombinierten Vektors auf die Wirtszelle 5.2. Methoden des Gentransfers Gentransfer mit der Mikroinjektion Gentransfer mit Hilfe von Viren Gentransfer mit Hilfe von Liposomen Gentransfer mit dem UV-Laser Gentransfer mit der Elektrooperation Gentransfer mit der Partikelpistole 6. Eigene Wertung 7. Quellenverzeichnis Glossar

2 1. Einleitung Gentechnik ist in der heutigen Zeit immer wichtiger geworden, denn es bedeutet Fortschritt, Fortschritt in vielen Bereichen; in der Landwirtschaft und in der Medizin. Aber es ist fragwürdig ob es nur positive Auswirkungen mit sich bringt, und ob es überhaupt ethnisch vertretbar ist, wenn Zellen, Bakterien, Pflanzen, Tiere und sogar an menschlichen Zellen Manipulationen vorgenommen werden. 2. Definition Gentechnik ist ein Sammelbegriff für die Veränderung des Erbgutes mit dem Ziel, Vererbungsstrukturen auf molekularer Ebene zu übertragen, um so gewünschte neue Eigenschaften im Organismus zu verankern. Dass heißt der genetisch veränderte Organismus vererbt die neuen Eigenschaften an die nächste Generation. 3. Ziele Da Gentechnik in verschiedenen Bereichen der Forschung und Anwendung vertreten ist, sind die Ziele dementsprechend weit gefächert. Die Gentechnik an Pflanzen, also in der Landwirtschaft wird als grüne Gentechnik bezeichnet. Die Ziele sind hier vor allen die Verbesserung von Pflanzen in Hinsicht auf den Nährwert, aber auch die Schaffung neuer Sorten ist bedeutsam. Die so genannte rote Gentechnik ist die Gentechnik der lebenden Organismen. Bei der Züchtung von Tieren sind vor allem höheres Wachstum und bessere Fleisch- oder Milchqualität angestrebte Ziele. Aber auch die Anfälligkeit gegenüber Krankheiten soll verringert werden. Auch für die Medizin ist die Gentechnik ein wichtiger Aspekt geworden, denn durch die Manipulation von Zellen, und der Veränderung ihrer Eigenschaften können Medikamente und Impfstoffe entwickelt werden. 4. Grundlagen der Gentechnik Die so genannten Restriktionsenzyme, welche in Bakterien entdeckt wurden, sind das entscheidende Werkzeug der Gentechniker. Restriktionsenzyme erkennen Basensequenzen, welche in sich spiegelbildlich sind, dass heißt vorwärts und rückwärts gelesen ist die Abfolge der Basenpaare gleich. An diesen Sequenzen zerschneiden die Enzyme die DNA in Stücke. Der Schnitt kann dabei entweder glatt oder versetzt erfolgen, wobei an den Schnittstellen ein kurzes Stück Einzelstrang-DNA herausragt. Die beiden Einzelstrangenden der Schnittstelle sind dabei zueinander komplementär. Dass heißt, wenn das eine Ende die Basenfolge AATT aufweißt, dann hat das andere Ende die Basenfolge TTAA. Diese Enden werden sticky ends ( klebrige Enden ) genannt, weil sie dazu neigen sich wieder zusammen zulagern. Wenn man zum Beispiel zusammengegebene DNA bakterieller und eukariotischer Herkunft mit einem Restriktionsenzym behandelt, welches geeignet ist, entsteht ein Gemisch aus DNA-Stücken mit klebrigen Enden.Die DNA bakterieller und eukaryotischer Herkunft paaren sich nun zufällig. Wenn man die zusammengetretenen DNA-Fragmente mit DNA- Ligase behandelt, so verknüpfen sie sich fest miteinander, und es ist rekombinante DNA entstanden.

3 5. Methoden der Gentechnik 5.1. Das Hauptprinzip der Gentechnik Gentechnische Veränderungen basieren auf folgendem Prinzip: 1. Die DNA des Spenderorganismus muss isoliert und in Fragmente mit brauchbarer Größe zerlegt werden. 2. Der geeignete Vektor für den Einbau der Spender-DNA muss isoliert und aufgeschnitten werden. 3. Die fragmentierte Spender-DNA muss mit der Vektor-DNA verknüpft werden. 4. Die neukombinierte Vektor-DNA wird in die Wirtszelle übertragen Isolierung und Fragmentierung der Spender-DNA Die Membran und der Zellkern der Spenderzelle werden zerstört, und die Proteine enzymatisch abgebaut ( verdaut ). In der entstandenen Lösung wird die Spender- DNA mit Ethanol ausgefällt. Durch ein geeignetes Restriktionsenzym wird die DNA fragmentiert. Dass heißt, die DNA wird in mehrere Stücke aus mehreren tausend Basenpaaren zerlegt. Diese kleinen Fragmente sind stabil genug, um kloniert zu werden. Größere Fragmente könnten unerwünschte Gene enthalten, deren Produkte die Wirtszelle belasten könnten Isolierung und Aufschneiden des Vektors Der Vektor wird isoliert und mit dem selben Restriktionsenzym behandelt wie die Spender-DNA. Dadurch wird der Vektor aufgeschnitten Verknüpfung der Vektor-DNA mit den Fragmenten der Spender-DNA Die Vektor-DNA wird mit den gewünschten Spender-DNA-Fragmenten verknüpft, indem man das Enzym DNA-Ligase hinzufügt Übertragung des rekombinierten Vektors auf die Wirtszelle Für den DNA-Transfer in die Wirtszelle gibt es mehrere Möglichkeiten. Im einfachstem Fall dringt die Fremd-DNA durch eine porös gemachte Zellmembran in die Zelle ein. Dies wird zum Beispiel durch Salzbehandlung erreicht. Der Gentransfer bei einer eukaryotischen Zelle ist schwieriger, da die Fremd-DNA in den Zellkern gelangen muss, um in das Wirtsgenom eingebaut werden zu können. Um einen Gentransfer durchzuführen gibt es mehrere Möglichkeiten, die Mikroinjektion, Viren, Liposomen, der UV-Laser, die Elektrooperation, und die Partikelpistole Methoden des Gentransfers Gentransfer mit der Mikroinjektion Die Fremdgene werden direkt in den Zellkern injiziert, indem man mit einer sehr feinen Kanüle Zellmembran und Kernhülle durchsticht, und die Fremdgene einspritzt Gentransfer mit Hilfe von Viren In einen wirtsspezifischen Virus wird das Fremdgen eingebaut. Das Virus infiziert die Zelle, und dabei wird die Fremd-DNA eingeschleust.

4 Gentransfer mit Hilfe von Liposomen Eine Doppel-Lipidschicht wird hergestellt, welche die Fremd-DNA umschließt. Da die Zellmembran hauptsächlich aus einer Doppel-Lipidschicht besteht, können die Liposomen mit ihr verschmelzen, und die Fremd-DNA ins Zellinnere entlassen Gentransfer mit dem UV-Laser Ein UV-Laser brennt in Zellwand oder Membran kleine Löcher, sodass diese durchlässig werden, und Fremd-DNA eindringen kann. Nach 5sec schließen sich die Löcher wieder, und die Zellwand oder Membran ist wieder intakt Gentransfer mit der Elektrooperation Wie bei der UV-Laser Methode, werden auch bei der Elektrooperation kleine Löcher in der Zellmembran erzeugt, sodass Fremd-DNA aus dem umgebenden Medium in die Zelle eindringen kann. Die Löcher in der schützenden Hülle der Zelle sind nur vorübergehend, denn sie schließen sich nach geraumer Zeit wieder Gentransfer mit der Partikelpistole Die Zelle wird mit kleinen Goldpartikeln beschossen. Diese Partikel sind mit Fremd-DNA beschichtet. Wenn ein Goldpartikel in den Zellkern gelangt, dann gelangt auch die Fremd- DNA in den Zellkern. 6. Eigene Wertung Die Gentechnologie bringt Vorteile mit sich, zum Beispiel in der Medizin können Medikamente preiswerter, reiner und besser verträglich hergestellt werden mit Hilfe von gentechnisch veränderten Bakterien. Bisher mussten Präparate zum Teil rein chemisch hergestellt werden. Doch jetzt kann Insulin für Diabetiker, der Blutgerinnungsfaktor (Faktor 8) für Bluter, Interferon für die Immunabwehr gegen Virusinfektionen und bestimmte Tumore und viele andere Arzneien mit Hilfe der Gentechnik hergestellt werden. Die Gentechnik erlaubt es uns vielleicht irgendwann Erbkrankheiten mit Hilfe der Genomanalyse frühzeitig zu erkennen und sogar zu behandeln. Die Gentechnik eröffnet neue Wege der Züchtung. Die neuen Pflanzen sind resistent gegen Insekten und Krankheitserreger und Herbizide. Sie sind besser an Umweltbedingungen angepasst. Die gentechnisch gezüchteten Pflanzen können aufgrund ihrer Veränderung das Sonnenlicht besser ausnutzen und Nährstoffe besser speichern. Mit Hilfe der Gentechnik gelingt es sogar, Pflanzen mit höherem Nährwert und höherem Ertrag zu züchten, was eventuell ein Beitrag zur Lösung des Welthungerproblems ist. Doch es gibt auch Risiken. Zum Beispiel die Freisetzung genetisch manipulierter Organismen kann zum Beispiel das ökologische Gleichgewicht beeinträchtigen und oder bedrohte Tierarten schneller als normal verdrängen, sodass diese aussterben. Oder wenn neue Stoffwechselwege eröffnet werden, könnten neue Verbindungen entstehen, welche auf Mensch, Tier und Pflanze toxisch sind. Es könnten auch neue Krankheitserreger durch natürlichen Gentransfer entstehen. Veränderte Gene können möglicherweise auch auf Wildpflanzen übertragen werden. Das könnte schlimme Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht haben. Wenn alle Kulturpflanzen herbizidresistent sind, wird es voraussichtlich zu einem erhöhten Herbizideinsatz kommen, da die Kulturpflanzen nicht mehr in Mitleidenschaft gezogen werden. Die Gentechnik ist auf der einen Seite ein Segen, da sie Neuerungen mit sich bringt, und somit auch Vorteile. Aber auf der anderen Seite gibt es auch Risiken. Und wie schon in der Einleitung erwähnt, sollte man die ethnische Frage bedenken, ob es richtig ist Organismen nach seinem Vorbild zu manipulieren, oder ob man es nicht doch lieber der Natur überlässt.

5 7. Quellenverzeichnis Biologie Heute S2 herausgegeben von Wolfgang Miram und Karl-Heinz Scharf von Schroedel Abiturtraining Biologie 1 Grundlagen und Aufgaben mit Lösungen für den Leistungskurs von Meinhard und Moisel von Stark Alles ist machbar Eine Einführung in die Gentechnologie von Volker Lange herausgegeben vom Bund für Umwelt und Naturschutz von Freizeit Verlags GmbH Baden-Baden Bertelsmann UNIVERSAL Lexikon 98 von BEEBOOK Brockhaus Internet: Suchwort: Gentechnik Klasse 10 Biologie 2000