Referat - Gentechnik. 2.2 Gen- und Biotechnik Gen- und Biotechnik werden oftmals gleichgesetzt, doch meinen die Begriffe längst nicht dasselbe:

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1 Referat - Gentechnik Christian Stegmann Vorläufige Gliederung: 1 Einleitende Bemerkungen 2 Was ist Gentechnik? 2.1 Begriffsdefinition 2.2 Gen- und Biotechnik 3 Chronik der Gentechnik 4 Exkurs: Genetik 5 Methoden und Anwendungsbereiche der Gentechnik (Bsp.: Herstellung von Human-Insulin) 6 Risiken der Gentechnik 7 Schlußbemerkungen 1 Einleitende Bemerkungen Kaum ein anderes Gebiet der Naturwissenschaften hat die Phantasie der Öffentlichkeit so stimuliert wie die Gentechnologie. Als sich 1975 in Asilomar (Kalifornien) Molekularbiologen zum ersten öffentlichen Auftritt der Gentechnologie versammelten war dies nicht wie üblich ein Anpreisen neuer Techniken, sondern eine von hoher Verantwortung getragene Warnung vor möglichen Folgen. Die Diskussion über mögliche Risiken und phantastische Umweltkatastrophen hält bei uns in der Bundesrepublik bis heute an und beherrscht das öffentliche Bewußtsein. Es ist Zeit, daß auch die Menschen in Deutschland die Augen öffnen Man macht sich selten Gedanken über die positiven Aspekte des neuen Wissenschaftszweiges. Grund genug für mich über dieses Thema zu referieren. 2 Was ist Gentechnik 2.1 Begriffsdefinition Unter Gentechnik, auch Gentechnologie faßt man sämtliche Erkenntnisse zu Untersuchung und Manipulation von Erbgut zusammen. Auszugrenzen sind folgende Themenkreise: Insemination (künstliche Befruchtung), Embryotransfer und Klonierung (identische Vervielfältigung von Zellen und Organismen), da keine Veränderungen am genetischen Material stattfinden. Dolly hat nichts mit Gentechnik zu tun! Das älteste Gebiet dessen, was wir heute Gentechnik nennen, ist die Pflanzen- und Tierzüchtung. Solange der Mensch seßhaft ist, hat er durch konsequente Selektion versucht, die ihm geeignet erscheinenden Nutzpflanzen und Nutztiere herauszuzüchten. Durch die Gentechnik ist er hier nicht mehr an die Maxime der Zucht Ausprobieren und auf Erfolg hoffen gebunden, sondern kann die Selektion aktiv in bestimmte Richtungen lenken und beschleunigen. 2.2 Gen- und Biotechnik Gen- und Biotechnik werden oftmals gleichgesetzt, doch meinen die Begriffe längst nicht dasselbe:

2 Biotechnik soll den Stoffwechsel, die biologischen Fähigkeiten zumeist einfacher Lebewesen technisch ausnutzen. Auf diese Weise werden schon seit Jahrtausenden Substanzen in Bakterien und Hefen hergestellt. Einfachste Beispiele sind die Gärung von Bier oder Verwendung von Backhefen. Gentechnik ist der Biotechnik vorgelagert: War die Biotechnik bislang auf die natürlichen Eigenschaften von Organismen angewiesen, so eröffnet die Gentechnik ihr neue Wege. Gentechnisch veränderte Bakterien können bakterienfremde Eiweiße wie z.b. das menschliche Hormon Insulin produzieren. Die Gentechnik kreiert also Lebewesen mit neuen Eigenschaften, die dann biotechnisch ausgenützt werden können. 3 Chronik der Gentechnik um 1750 Kreuzungs- und variationsstatistische Untersuchungen an Tieren und Pflanzen 1865 Mendel formuliert seine Vererbungsgesetze, die Grundlage der klassischen Genetik 1869 Miescher entdeckt Nukleinsäuren in den Zellkernen von Leukozyten (weiße Blutkörperchen) 1875 Hertwig erkennt, daß der Zellkern Träger des Erbgutes ist 1883 Roux und Weismann vermuten in Chromosomen Träger der Vererbung 1902/04 Sutton und Boverle stellen die Chromosomentheorie auf, die macht Mendelschen Gesetze kausal verständlich 1944 Avery, Mac Leod und McCarty zeigen, daß die Desoxyribonukleinsäure Erbinformationen speichert 1953 Watson und Crick erkennen Doppelhelixstruktur der DNA 1961 Nirenberg und Ochoa entschlüsseln die Transkription 1971 Arber, Smith und Nathans (Schweiz/USA) entdecken die Restriktionsenzyme, wichtige Instrumente der Gentechnik, erhalten 78 Nobelpreis 1972 Berg gelingt die Übertragung eines Bakteriengens in ein Virus 1978 Goodman, Rutter, Gilbert u. a. gelingt die Synthese von Ratten-Insulin in Bakterien (Insulin: Hormon, daß für Zuckerhaushalt zuständig ist, Diabetikern fehlt es, wird heute größtenteils gentechnisch hergestellt) ab 79 neue Erkenntnisse in der Tumorgenetik (Bishop, Weinberg, Wigler, Barbacid u.a.) ab 82 Methoden zur Genübertragung in tierische Organismen mit Hilfe von Retroviren (Palmiter, Brinster u.a.) seitdem zahlreiche neue Entdeckungen 4 Exkurs: Genetik An dieser Stelle ist ein kleiner Exkurs in die Genetik erforderlich, zur Auffrischung der Kenntnisse. Jede individuelle Form des Lebens wird von spezifischen, individuellen Proteinen gesteuert. Proteine sind hochmolekulare Eiweißkörper, die aus Aminosäueren aufgebaut sind. Sie bestimmen u.a. als Enzyme, Hormone oder Rezeptoren sämtliche Vorgänge des Lebens. Sie sind die Träger des Lebens.

3 Die Natur kommt mit 20 Aminosäuren aus. Die Sequenz (Anordnung) der Aminosäuren im Makromolekül (Großmolekül) weist den Proteinen ihre ihnen bestimmte Funktion zu. Im menschlichen Organismus rechnet man mit ca Proteinen, rund 500 davon sind bekannt. Alle Lebewesen, jede Art und innerhalb jeder Art jedes Individuum verfügen über nur für sie selbst charakteristische Proteine. Jeder lebende Organismus, vom Einzeller bis zum höchstentwickelten Warmblüter, dem Menschen, hat ungeheure Leistungen zu vollbringen: 1. Die Speicherung und Verschlüsselung der Informationsmenge (von Proteinen beim Menschen, wobei jedes Protein aus tausenden Aminosäuren bestimmter Sequenz bestimmt) 2. Die immer wieder identische Reproduktion dieser Informationen. Im Zellkern jeder Körperzelle befindet sich wie wir alle wissen, der paarweise angeordnete Chromosomensatz, der genetische Gesamtspeicher aller Informationen, die unser Leben biologisch ausmachen. Im Chromosom befindet sich ein langkettiges Makromolekül von Desoxyribonukleinsäure (DNS o. engl. DNA). Es bildet die bekannte DNA-Doppelhelix, die etwa die Form einer wendelförmig gedrehten Strickleiter hat. Der Begriff Gen, von dem es übrigens mehrere Definitionen gibt, die alle ihre Berechtigung haben, steht in unserem Kreis für einen Abschnitt von Basenpaaren (kleinste Informationseinheit aus Adenin und Thymin oder Cytosin und Guanin) auf dem DNA- Strang, der für die Bildung eines Proteins verantwortlich ist, wobei drei Basenpaare jeweils eine Aminosäure bestimmen. Für jedes Lebewesen der 1,6 Mio Arten auf Erden gilt dieses Prinzip, - und das seit Milliarden Jahren - es ist also universell! Auf den chemischen Aufbau der DNA möchte ich hier nicht weiter eingehen, das würde den Rahmen dieses Referats sprengen. Einige Größenordnungen: ca Basenpaare ergeben ein Gen (variiert), die menschliche DNA umfaßt ca. 3 Mrd Basenpaare. Mit diesem System ist die Natur in der Lage mit wenig Aufwand die ungeheure Vielfalt von genetischen Informationen zu speichern. Als nächstes muß erklärt wie diese Informationsmenge immer wieder identisch reproduziert werden kann, und zwar einmal zur Erhaltung der Art innerhalb des Einzelorganismus (bei Bildung neuer Zellen) und bei der Vererbung - zum Anderen zur Vereinheitlichung der Lebensvorgänge innerhalb eines Individuums durch Steuerung über wieder identisch reproduzierte Proteine (sprich: das Auslesen und Benutzen der Informationen). Der erste Fall ist denkbar einfach: Stellen wir uns die Doppelhelix als Reißverschluß vor, so geschieht bei der Zellteilung, die ja zu 2 neuen Zellen mit 2 neuen Zellkernen und 2 neuen Genomen führt, folgendes: Die Basenpaare öffnen sich wie die Zähne des Reißverschlusses und an jedem Zahn der DNA-Stranges lagert sich sofort aus dem im Zellkern vorhandenen Lager von freien Basen (hier auch: Nukleotid Adenin, Thymin oder Cytosin, Guanin) das entsprechende, komplementäre Nukleotid an.

4 Jeder Reißverschlußstrang hat sich sofort wieder zu einem neuen, vollständigen Reißverschluß ergänzt, der mit dem ursprünglichen identisch ist. Dieser Vorgang ist universell, vom Embryo bis zur Regeneration von Gewebezellen. Bleibt noch der zweite Fall, das Auslesen oder Transkription der DNA: Dieser Prinzip gleicht dem der Verdoppelung der DNA. Der für den Aufbau des Proteins zuständige Teil der DNA wird abgeschrieben, diesmal aber nicht mit Nukleotiden der DNA, sondern mit Nukleotiden der RNA (Ribonukleinsäure, die als Zuckeranteil Ribose enthält). Der Reißverschluß öffnet sich an der bestimmten Stelle, wird von RNA-Nukleotiden abgeschrieben, die RNA-Abschrift löst sich und die DNA schließt sich wieder. Das entstandene Molekül wird Boten-RNA bezeichnet und kann den Zellkern verlassen und wird im Cytoplasma der Zelle weiterverarbeitet und das Protein wird gebildet. Der Vorgang dauert nur wenige Sekunden. Soviel zur Genetik. 5 Methoden und Anwendungsbereiche der Gentechnik Das Paradebeispiel schlechthin für genetische Methoden ist die Produktion von menschlichem Insulin (Hormon, das den Zuckerhaushalt im Körper reguliert; Diabetiker können es nicht produzieren) mit Hilfe von genmanipulierten Bakterien. Die Vorgangsweise möchte ich hier kurz schildern: Als erstes muß man die DNA, die für die Produktion von Insulin verantwortlich ist isolieren. Hier sind zwei Möglichkeiten bekannt: Entweder man läßt die gesamte DNA isoliern, mit Restriktionsenzymen zerstückeln und diese Stücke in Plasmide einfügen. Die Plasmide werden anschließend in Bakterien eingebracht (Transformation), jetzt muß man nur noch das Bakterium finden, das das Insulingen enthält was bei bis anderen möglichen Informationen jedoch schwierig ist (dieses Problem läßt aber sich mittlerweile lösen). Diese Methode hat auch noch andere Nachteile, auf die ich jetzt nicht eingehen möchte. Als Alternative bietet sich die Isolierung der Insulingens über die Boten-RNA (siehe 4). Organe synthetisieren in spezialisierten Zellen (z.b. die β-zellen der Bauchspeicheldrüse) eine große Menge dieser Boten-RNA und über dieser widerum das Protein (hier Insulin). Um ein Bakterium wie unser Darmbakterium Escherichia coli zur Produktion eines fremden Proteins (wie etwa Insulin) anzuregen, bedarf es jedoch weiterer gentechnischer Kniffe. Die bakterielle Zelle benötigt zusätzliche Information auf der DNA, die ihr als Signal für die Übersetzung in ein Protein dienen. Diese Signale sind allen bakteriellen Genen vorgeschaltet - man bezeichnet sie als Regulations-Regionen - und geben der Zelle die Möglichkeit, je nach Wachstumsbedingungen und externem Nahrungsangebot bestimmte Gene an- oder abzuschalten, also eine ökonomische Balance aller Syntheseprogramme zu gewährleisten. Unser Insulingen im Bakterium muß also mit einem bakteriellen Regulator versehen werden. Das fertige Bakterium wird in großen Fermentern gezüchtet und mit Nahrung versorgt und alsbald hat man eine große Menge Bakterien-Insulin-Reststoff

5 Mischung. Diese Mixtur muß gereinigt werden, was auch einen hohen Aufwand darstellt, dann haben wir jedoch was in alle Arzneimittelfläschen gehört: das reine menschliche Insulin. Es muß hier noch erwähnt werden, daß auf diesem Gebiet die Möglichkeiten noch nicht ausgereizt sind, im Gegenteil, wir stehen erst am Anfang der Entwicklung. Neben der eben besprochenen Genmanipulation an Mikroorganismen (graue GT) sind noch die beiden anderen Gebiete der Genmanipulation an Pflanzen (grüne GT) und an Tieren (rote GT) zu nennen, die ebenso umfangreich sind, aber von mir jetzt besprochen werden können. Nun zu den Anwendungsbereichen der Gentechnik. Gegenwärtig wird die Gentechnologie in der Medizin hauptsächlich zur Gewinnung von Arzneimitteln durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen oder Zellen (wie soeben besprochen) und zur Entwicklung diagnostischer Möglichkeiten angewandt (DNA-Analyse?). Als Ergebnis weltweiter Bemühungen in den verschiedensten Laboratorien konnten die ersten menschlichen Proteine aus Bakterien erhalten werden: Humaninsulin, Interferone, Wachstumshormone, Glucagon, Interleukine, Relaxin, ect. und auch Impfstoffe wie z.b. für Hepatitis B. An einem Impfstoff für AIDS arbeitet man bekanntlich fieberhaft. 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 künftig heilbar. 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. In der modernen Tierzucht sind die extrakorporale Befruchtung, die Gefrierkonservierung von Embryonen und die Geschlechtsselektion 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. 6 Risiken der Gentechnik Die Gentechnik fordert von dem Menschen, über moralische und soziale Konsequenzen naturwissenschaftlicher Forschung wie ihrer technischen Anwendung nachzudenken. Es gilt nicht immer, das technisch Mögliche zu tun, sondern wir müssen uns verstärkt nach dem Sinn unseres Tuns

6 fragen und auch fragen lassen. Ein Fermenter, eine Kläranlage oder ein Treibhaus stellen kontrollierbare Biotope dar. Die Umwelt aber repräsentiert ein Spektrum von Variablen, wovon uns nur wenige bekannt sind. Fehlentscheidungen, das haben uns die Ereignisse in jüngster Zeit gelehrt, verursachen oft irreparable Schäden in unserem Lebensraum. 7 Schlußbemerkungen Ich möchte meinen Vortrag schließen mit einem Zitat des Forschers Wade aus dem Jahr 1977: Der gesamte Gen-Pool unseres Planeten, das Produkt von drei Milliarden Jahren Evolution, steht zu unserer Verfügung. Der Schlüssel zum Leben ist in unsere Hände gelegt. Es gibt gelegentlich Vorschläge - aus wissenschaftlichen oder moralischen Gründen - den Schlüssel wieder wegzuwerfen. Aber ein solches Ignorieren von Möglichkeiten liegt nicht in der menschlichen Natur. Das Tor zur Schatzkammer ist bereits offen, und die einzige Frage ist, welchen Nutzen wir von den Reichtümern darin ziehen werden.