Molekulare Biotechnologie

Transkript

1 Molekulare Biotechnologie

2 David P. Clark Nanette J. Pazdernik Molekulare Biotechnologie Grundlagen und Anwendungen Aus dem Englischen übersetzt von Andreas Held und Birgit Jarosch

3 Titel der Originalausgabe: Biotechnology Applying the Genetic Revolution Die amerikanische Originalausgabe ist erschienen bei Elsevier Inc. Copyright 2009, Elsevier Inc. All rights reserved. This edition of BIOTECHNOLOGY by David CLARK and Nanette PAZDERNIK is published by arrangement with ELSEVIER INC of 200 Wheeler Road, 6 th floor, Burlington, MA 01803, USA Aus dem Englischen übersetzt von Andreas Held und Birgit Jarosch Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag, der Herausgeber und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2009 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Planung und Lektorat: Dr. Ulrich G. Moltmann, Dr. Meike Barth Redaktion: Dr. Frank Lichert Satz: TypoStudio Tobias Schaedla, Heidelberg Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu Ulm Umschlagbild: 123rf mtr (Hand mit Reagenzglas) / Tackley Fotolia.com (Moleküle) / Kaulitzki Fotolia.com (DNA) ISBN

4 Dieses Buch ist Donna gewidmet (David. P. Clark) Dieses Buch ist meinen Kindern und meinem Mann gewidmet. Ihre Geduld und ihr Verständnis haben mir die Zeit und Inspiration gegeben, diesen Text recherchieren und zu schreiben (Nanette J. Pazdernik)

5 Inhaltsverzeichnis Vorwort IX Danksagung XI Einleitung XIII Kapitel 1 Grundlagen der Biotechnologie 1 Kapitel 2 DNA, RNA und Protein 31 Kapitel 3 DNA-Rekombinations technologie 55 Kapitel 4 DNA-Synthese in vivo und in vitro 87 Kapitel 5 RNA-Technologien 119 Kapitel 6 Immuntechnologie 167 Kapitel 7 Nanobiotechnologie 199 Kapitel 8 Genomik und Genexpression 225 Kapitel 9 Proteomik 263 Kapitel 10 Rekombinante Proteine 295 Kapitel 11 Protein-Engineering 317 Kapitel 12 Umwelt biotechnologie 335 Kapitel 13 Stoffwechsel-Engineering 353 Kapitel 14 Transgene Pflanzen und Pflanzen biotechnologie 379 Kapitel 15 Transgene Tiere 405 Kapitel 16 Genetische Störungen 435 Kapitel 17 Gentherapie 455 Kapitel 18 Molekular biologie von Krebs 475 Kapitel 19 Nichtinfektiöse Krankheiten 499 Kapitel 20 Altern und Apoptose 523 Kapitel 21 Bakterielle Infektionen 551 Kapitel 22 Virus- und Prion-Infektionen 567 Kapitel 23 Biologische Kriegs führung und Bio terrorismus 587 Kapitel 24 Forensische Molekular biologie 613 Kapitel 25 Bioethik in der Biotechno logie 629 Glossar 657 Index 691

6 Vorwort Biotechnologie hat die Welt verändert dieser Aussage kann man ohne Zweifel zustimmen. Dank der Biotechnologie ist unser heutiger Wissensstand über die Ursachen vieler Erbkrankheiten so groß wie nie, und immer mehr Menschen können von einer immer geringeren landwirtschaftlichen Fläche ernährt werden. Die moderne Molekularbiologie und die Genetik haben unser Wissen über die Genome vieler Organismen, von Viren und Bakterien bis hin zu Bäumen und dem Menschen, stark erweitert. Und die Anwendung dieses Wissens hat die Wissenschaften revolutioniert und einen Wechsel von den beschreibenden Wissenschaften hin zu einer Vielzahl von Disziplinen eingeläutet, die schließlich zur Herstellung neuer Produkte wie Arzneistoffe, Impfstoffe und Nahrungsmittel führen. Die Biotechnologie hat der Herstellung von Proteinen mit neuen Funktionen und sogar neuen biochemischen Synthesewegen mit veränderten Produkten Tür und Tor geöffnet. Eine logische Folge ist die Entwicklung von Kulturpflanzen und Tieren mit neuen Eigenschaften und auch, wie zu hoffen ist, die Heilung von Erbkrankheiten. Vor nicht allzu langer Zeit verließen sich Landwirte auf ihren Grünen Daumen, um gute Erträge zu erwirtschaften; doch auch in diesem Bereich hat die Gentechnik Einzug erhalten. Die Möglichkeit, Genome direkt zu verändern, bedeutet einschneidende Veränderungen in der Zukunft. Wird die Biotechnologie den sprichwörtlichen Jungbrunnen finden, indem sie die molekularen Vorgänge entschlüsselt, die uns altern oder Krebs entstehen lassen? Wird sie Einfluss auf Krankheitstherapien haben? Wird sie die Art der Kriegsführung durch die Entwicklung von neuen biologischen Kampfstoffen verändern? Molekulare Biotechnologie erklärt wie Informationen aus der genetischen Revolution genutzt werden können und beantwortet einige dieser Fragen. Der Leser erhält einen Überblick über viele Wissenschaftsgebiete, deren ursprüngliches Spektrum durch die Biotechnologie verändert wurde. Die ersten Kapitel geben eine kurze und präzise Übersicht über die Grundlagen der Molekularbiologie wie DNA- Struktur, Genexpression und Proteinsynthese und über die Organismen, die in der biotechnologischen Forschung eingesetzt werden. Der Studierende wird anschließend in die grundlegenden Methoden der Biotechnologie eingeführt. Kapitel 3 befasst sich mit der Isolierung von Nucleinsäuren, wie sie zunächst in künstliche genetische Vehikel kloniert und schließlich für ausführlichere Analysen in Modellorganismen eingeschleust werden. Die beiden folgenden Kapitel gehen ausführlicher auf die verschiedenen Methoden ein, die entwickelt wurden, um die Funktion von Genen zu untersuchen. Kapitel 4 hat die DNA zum Schwerpunkt und behandelt sowohl die in vivo- als auch die in vitro-synthese von DNA und die Polymerasekettenreaktion. Kapitel 5 konzentriert sich dagegen auf die RNA. Hier werden Antisense-Technologie, RNA-Interferenz und Ribozyme erläutert. Die Kenntnis des in diesen Kapiteln vermittelten Wissens ist essenziell für das Verständnis des restlichen Lehrbuches. Die verbleibenden Kapitel behandeln die unterschiedlichen Forschungsgebiete und geben Beispiele, wie die genetische Revolution diese Gebiete verändert hat. In Kapitel 6 werden aktuelle Verfahren zur Herstellung von Antikörpern für die genetische Forschung wie auch die Herstellung neuer Impfstoffe vorgestellt. Kapitel 7 vertieft dagegen ein anderes Gebiet die Nanotechnologie. Außerdem wagt es einen Blick in die Zukunft der Molekularbiologie, in der Wissenschaftler in der Lage sein werden, im Nanomaßstab zu agieren. Thema ist die Anwendung von neuen Strukturen im Nanomaßstab für die gezielte Verabreichung von Arzneimitteln, die Identifizierung biologischer Moleküle in situ und die Herstellung antibakterieller Werkstoffe. Das Kapitel zeigt, wie die Nanobiotechnologie sich die selbstassoziierenden Eigenschaften der DNA zunutze macht, um Nanomaschinen herzustellen, und wie DNA die Gestalt von Proteinen physikalisch bestimmen kann. Dieses neue Forschungsgebiet ist mit der Molekularbiologie unmittelbar verbunden und wird in Kursen der Molekularbiologie zukünftig eine stärkere Gewichtung erhalten. Der folgende Abschnitt schwenkt wieder zu den vertrauteren Gebieten der Genomik und Proteomik; im Mittelpunkt stehen hier der Anwendungsaspekt und die Bedeutung der Fortschritte in Genomik und Proteomik für die Medizin. Die Kapitel über die Proteomik befassen sich mit Methoden zur Isolierung

7 X Vorwort und Charakterisierung von Proteinen, einschließlich jüngster Entwicklungen in der Massenspektrometrie. Die Proteomik leitet zu einem Kapitel über, das einen Überblick darüber gibt, wie sich Proteine durch eine Expression in verschiedenen Organismen und Zellkulturen analysieren lassen. Es folgt die Herstellung von Proteinen mit neuen Eigenschaften durch deren gentechnische Modifikation. Da einzelne gentechnisch modifizierte Proteine in ihrer Aussagekraft beschränkt sind, schlägt Kapitel 12 die Brücke zwischen dem Labor und der natürlichen Umgebung, in der die Proteine vorkommen, und befasst sich mit dem ständig wachsenden Gebiet der Metagenomik. Dieser Ansatz umgeht die herkömmlichen Methoden zur Identifizierung einzelner neuer Gene aus einem Modellorganismus. Stattdessen werden genomische Sequenzen direkt aus der Umgebung gewonnen, ohne den Organismus zu identifizieren, aus dem sie stammen. Die Untersuchung neuer Genfunktionen wird in Kapitel 13 fortgeführt. Biochemische Stoffwechselwege lassen sich mithilfe der DNA-Rekombinationstechnologie beeinflussen, und dieses Kapitel stellt ein paar dieser neuen Stoffwechselwege vor. Die Herstellung neuer Proteine und biochemischer Wege ist sinnlos, solange sie nicht in Pflanzen oder Tiere eingebracht werden können. Daher gehen die folgenden beiden Kapitel auf die jüngsten Fortschritte in der Herstellung transgener Pflanzen und Tiere ein. Die folgenden Kapitel konzentrieren sich auf die Medizin. Zuerst vermittelt Kapitel 16 die molekulare Grundlage von vererbten Defekten. Dieses leitet zum nächsten Kapitel über, das sich mit der Gentherapie befasst. In weiteren Kapiteln geht es um die molekularen Grundlagen von Krebs und das Altern. Zudem wird eine Auswahl nichtinfektiöser Krankheiten präsentiert, wie die erektile Dysfunktion, Diabetes und die Fettleibigkeit. Und nicht zuletzt hat die Molekularbiologie unser Wissen über Erkrankungen, die von Viren und Bakterien verursacht werden, außerordentlich vergrößert. In den Kapiteln 21 und 22 erfährt der Studierende, wie Viren und Bakterien unsere zelluläre Maschinerie nutzen und Krankheiten auslösen. Auch werden jüngste Forschungsergebnisse über Prionenerkrankungen wie Rinderwahnsinn und die Creutzfeld-Jakob-Erkrankung behandelt. Kapitel 23 nimmt das Wissen über die Pathogenese bakteriell oder viral verursachter Erkrankungen zum Anlass und gibt einen Überblick über die biologische Kriegsführung und den Bioterrorismus. Kapitel 24 umreißt den Einfluss der genetischen Revolution auf die Forensik. Die Möglichkeit einer Identifizierung von Straftätern mithilfe der Molekularbiologie hat den Strafvollzug grundlegend verändert. Bislang ungelöste Fälle lassen sich nun mithilfe von DNA-Tests untersuchen, die genauer und zuverlässiger sind, als die herkömmlichen Nachweisverfahren. Die Verwendung von DNA für kriminalistische Untersuchungen hat auch in Fernsehserien Einzug erhalten, die der Bevölkerung die Vorzüge dieser Verfahren nahe bringen. In diesem Kapitel werden allerdings nicht die Methoden thematisiert. Stattdessen geht es um die Frage, welche Folgen die Anwendung dieser Methoden für unsere Gesellschaft hat. Sollten wir die genetische Revolution nutzen, um Menschen zu klonen, Kulturpflanzen zu schaffen oder menschliche Stammzellen zu erforschen? Sollte die genetische Identität jedes Einzelnen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden? Molekulare Biotechnologie zeigt auf, wie sehr technologischer Fortschritt und die Revolution der Molekularbiologie miteinander verwoben sind. Die Fähigkeit, große Datenmengen verarbeiten zu können, gepaart mit der detaillierten Analyse des menschlichen Körpers und dem anderer Organismen, hat unsere Gesellschaft und unsere Ethik bereits verändert. Dieses Buch gibt den Studierenden das Grundwissen über einige bereits vollzogene Veränderungen an die Hand, in der Hoffnung, dass sie dieses Wissen auf zukünftige Forschungen anwenden können.

8 Danksagungen Wir möchten den folgenden Beteiligten an diesem Buch für die hilfreichen Informationen, die sie uns zur Verfügung gestellt haben, wie auch für die Verbesserungsvorschläge und ihren Einsatz danken: Laurie Achenbach, Rubina Ahsan, Phil Cunningham, Donna Mueller, Dan Nickrent, Holly Simmonds und Dave Pazdernik. Insbesondere danken wir Karen Fiorino für die Erstellung der meisten graphischen Darstellungen.

9 Einleitung Die moderne Biotechnologie beruht auf Fortschritten in der Molekularbiologie und der Datenverarbeitung Die traditionelle Biotechnologie reicht Tausende von Jahren in die Vergangenheit zurück. Sie umfasst die selektive Züchtung von Vieh und Kulturpflanzen genauso wie die Herstellung von alkoholischen Getränken, Milchprodukten, Papier, Seide und anderen natürlichen Produkten. Erst in den letzten Jahrhunderten entwickelte sich die Genetik als Forschungsgebiet und die jüngsten Fortschritte eröffneten die Möglichkeit zur Züchtung von Kulturpflanzen und Vieh durch wohl bedachte gentechnische Veränderung. Während der sogenannten grünen Revolution in den Jahren zwischen 1960 und 1980 wurde das Wissen in der Genetik auf die natürliche Züchtung angewendet und hatte einen großen Einfluss insbesondere auf den Ertrag. Heutzutage werden zunehmend mehr Pflanzen und mittlerweile auch Tiere gentechnisch verändert. Neue Pflanzenvarietäten wurden geschaffen und einige davon werden bereits landwirtschaftlich genutzt. Sie dienen dem Menschen als Nahrungsquellen und wurden verändert, um sie an Bedingungen anzupassen, für die sie zuvor nicht geeignet waren. Man entwickelte Kulturpflanzen mit Resistenzen gegen verschiedene Krankheitserreger, um den Ertrag zu erhöhen und die Kosten für den Anbau zu senken. Jedoch wird der Einfluss dieser gentechnisch veränderten Organismen auf andere Arten und die Natur zurzeit kontrovers diskutiert. Die moderne Biotechnologie umfasst nicht nur die Genetik, sondern hier fließen auch neue Erkenntnisse aus anderen Wissenschaften ein. So wird der Umgang mit riesigen Datenmengen auch von Entwicklungen in der Datenverarbeitung beeinflusst. In der Tat wäre die Sequenzierung des menschlichen Genoms unmöglich gewesen, wenn vorher nicht leistungsfähigere Computer und eine entsprechende Software entwickelt worden wären. Gelegentlich hört man Stimmen, die behaupten, wir befänden uns zwischen zwei wissenschaftlichen Revolutionen, die eine in der Informationstechnologie und die andere in der Molekularbiologie. Beide erfordern den Umgang mit großen Mengen an codierter Information. In einem Fall ist die Information mehr oder weniger vom Menschen geschaffen, im anderen Fall handelt es sich um genetische Information, die die Basis für das Leben ist. Und noch ein weiteres Forschungsgebiet erlebt zurzeit eine Revolution die Nanotechnologie. Die Entwicklung von Verfahren zur Sichtbarmachung und Manipulation einzelner oder weniger Atome eröffnet Möglichkeiten der immer detaillierteren Untersuchung von lebenden Systemen. Auf vielen Gebieten der Biotechnologie spielen Verfahren im Nanomaßstab eine zunehmend wichtigere Rolle. Das führt zu der Frage nach der Definition der Biotechnologie, auf die es allerdings keine konkrete Antwort gibt. Vor etwa 30 Jahren hat man Brauereien und Bäckereien zur Biotechnologie gezählt. Heutzutage ist die Anwendung der modernen Genetik oder anderer äquivalenter moderner Technologien Voraussetzung, damit ein Verfahren der Biotechnologie zugerechnet wird. Eine Definition des Begriffes ist daher teilweise zu einer Frage der jeweiligen Mode geworden. In diesem Buch betrachten wir die (moderne) Biotechnologie als einen Zusammenschluss aus klassischer Biotechnologie, moderner Genetik, Molekularbiologie, Computertechnologie und Nanotechnologie. Das entstehende Forschungsgebiet ist außerordentlich groß und lässt sich schlecht abgrenzen. Es umfasst nicht nur die Landwirtschaft, sondern beeinflusst viele Bereiche der menschlichen Gesundheit und der Medizin, wie die Entwicklung von Impfstoffen und die Gentherapie. In diesem Lehrbuch haben wir einen Ansatz gewählt, der ausgehend von der genetischen Information als Basis aufzeigt, wie die Biotechnologie damit begonnen hat, in viele verwandte Forschungsgebiete vorzudringen.