Gentechnik/Biotechnik Rekombinante Wirkstoffe Vorlesung im WS 2010/2011 Prof. Theo Dingermann Institut für Pharmazeutische Biologie Goethe-Universität Frankfurt/Main Dingermann@em.uni-frankfurt.de
Empfohlene Literatur
Die geniale Entdeckung und der Beginn der biologischen Revolution
Die Revolution in den Biowissenschaften 1953 entdeckten der Brite Francis Crick und US-Amerikaner James Watson, damals Wissenschaftler am Cavendish Laboratory in Cambridge, die Doppelhelix-Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA).
Die Revolution in den Biowissenschaften Sie wussten die Erkenntnisse zu nutzen, die Rosalind Franklin und Maurice Wilkins zur gleichen Zeit in der Medical Research Council Biophysics Unit des King's College in London gewonnen hatten.
Die Revolution in den Biowissenschaften Entdeckung der DNA im Jahre 1953 50 Jahre Entschlüsselung des humanen Genoms im Jahre 2001/2003 Vom Rennen um die DNA-Struktur bis zur Entschlüsselung des Humangenoms reihte sich Jahrzehnte lang eine molekularbiologische Sensation an die andere.
Alles begann mit Darwin
Charles Darwin (1809 1882) Darwins Erklärung der Evolution In einer Population von Organismen gibt es Subpopulationen, die sich von anderen durch Variationen bestimmter Charakteristika unterscheiden. Einzelne Individuen in solchen Subpopulationen unterscheiden sich von anderen dadurch, dass sie gegenüber anderen fitter sind und sich zudem effektiver fortpflanzen. Wenn diese Eigenschaften an die Nachkommen vererbt werden, wird sich diese Subpopulation gegenüber anderen durchsetzen. Kurz gesagt: Evolution ist gekoppelt an vergleichsweise effektiverer Reproduktion.
Darwins Erklärung der Evolution Reproduktion 4.000.000.000 Jahre Modifikation Selektion
Der Fossilienbefund als wichtigste Basis der Evolutionstheorie Fossilien zeichnen in überzeugender Weise die Evolution nach und waren schon für Darwin eine entscheidende Basis für die Entwicklung seiner Evolutionstheorie. Wichtig: 1.Fossilien müssen Merkmale "zwischen" den heute existierenden Organismengruppen erkennen lassen. 2.Verknüpfungen müssen zeitlich geordnet sein. 3.Entwicklung muss von einfach nach komplex verlaufen und nicht umgekehrt.
Aber was, wenn Fossilienbefunde wichtig werden, die in der Größenskala der Moleküle liegen?
Der Genius 100 Jahre Darwin 1859 Franklin Wilkins 1953 Crick Watson
Mendel, ein kongenialer Zeitgenosse Darwins
Gregor Mendel, 1822 1884 Der Abt C. F. Napp (1792-1867) der Augustiner-Abtei in Alt Brünn nahm 1843 Mendel als Novize in sein Kloster auf. Brünn: War das Zufall? Nein! Das intellektuelle Zentrum Europas Abt Napp: Präsident der Landwirtschaftlichen Gesellschaft und der Gesellschaft für Obstund Weinbau, die später in Pomologische Gesellschaft umbenannt wurde. Mendel sollte sich um Züchtungsprobleme kümmern!
Gregor Mendel, 1822 1884 Gregor Mendels Versuchsobjekt: Die Gartenerbse (Pisum sativum). Seine Resultate publizierte er u.a. 1866 in der Schrift Versuche über Pflanzenhybriden.
Mendels Experimente 1. Modell testen Auswahl der Versuchspflanzen* Der Werth und die Geltung eines jeden Experimentes wird durch die Tauglichkeit der dazu benützten Hilfsmittel, sowie durch die zweckmässige Anwendung derselben bedingt. Auch in dem vorliegenden Falle kann es nicht gleichgiltig sein, welche Pflanzenarten als Träger der Versuche gewählt und in welcher Weise diese durchgeführt wurden. Die Auswahl der Pflanzengruppe, welche für Versuche dieser Art dienen soll, muss mit möglichster Vorsicht geschehen, wenn man nicht in Vorhinein allen Erfolg in Frage stellen will... *Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47.
Mendels Experimente 1. Modell testen Auswahl der Versuchspflanzen* Die Versuchspflanzen müssen nothwendig 1.Constant differirende merkmale besitzen. 2.Die Hybriden derselben müssen während der Blüthezeit vor der Einwirkung jedes fremdartigen Pollens geschützt sein oder leicht geschützt werden können. 3.Dürfen die Hybriden und ihre Nachkommen in den aufeinander folgenden Generationen keine merkliche Störung in der Fruchtbarkeit erleiden. *Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47.
1. Modell testen Mendels Experimente Erbsen rund selfen = mit sich selbst kreuzen runzelig Genetisch reine Stämme
Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp 2. Kontrollkreuzung Mendels Experimente Erbsen F 0 rund runzelig kreuzen runzelig war weg F 1
Mendels Experimente 3. Selfen Erbsen F 0 rund runzelig kreuzen runzelig war weg F 1 selfen runzelig ist wieder da F 2
Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Mendels Experimente 4. Zählen Erbsen F 0 rund runzelig kreuzen runzelig war weg F 1 selfen 5474 1850 2,96/1 runzelig ist wieder da F 2
Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Mendels Experimente 5. Modell Erbsen F 0 rund R/R runzelig kreuzen r/r runzelig war weg R/r F 1 runzelig ist wieder da selfen R r R r R/R R/r R/r r/r
R r R R/R R/r r R/r r/r Mendels Experimente 6. Vorhersagen 1/3 R/R r/r 2/3 R/r r/r F 2 F 2 kreuzen Rund/runzelig: 1/0 Rund/runzelig: 1/1 R R R r r R/r R/r r R/r r/r r R/r R/r r R/r r/r
*Gregor Mendel: Versuche über Pflanzenhybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereins in Brünn. Band 4. Brünn 1866, S. 43-47. Gregor Mendel, 1822 1884 "Versuche über Pflanzenhybriden" Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Eltern haben denselben Phänotyp Spaltungsgesetz: Segregation dominanter und rezessiver Merkmale in F2 im Verhältnis 3:1 Unabhängigkeitsgesetz: Unabhängige Vererbung einzelner Allele
Walter Flemming, ein Cytologe, mit einem Blick für bunte Dinger
Walter Flemming, 1843 1905 Walter Flemming war ein deutscher Cytologe. Er setzt basische Farbstoffe bei seinen Forschungen ein und sieht erstmalig dünne Gebilde in den Kernen von Zellen, die gerade im Begriffe sind, sich zu teilen.
Walter Flemming, 1843 1905 Walter Flemming gilt als Gründer der Cyotgenetik und er prägte 1979 die Begriffe Chromatin und Mitose.
Chromosomale Theorie der Vererbung 1885 1915 August Weismann Walter Sutton Theodor Boveri Thomas Hunt Morgan Alfred Sturtevant
Friedrich Miescher, der Entdecker des Nukleins
Friedrich Miescher, 1844 1895 Friedrich Miescher war Mediziner und Professor für Physiologie an der Universität Basel. 1869 entdeckte Miescher die Nukleinsäure in einem Kernextrakt aus Eiterzellen und nannte sie Nuclein. Miescher konnte seine Substanz in einen Proteinanteil und einen säurefällbaren Anteil trennen. Damit erkannte er den Säurecharakter der Nucleinsäuren und konnte zeigen, dass neben Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff auch Phosphor enthalten ist.
Wilhelm Johannsen, der Pate des Begriffs Gen
Wilhelm Johannsen, 1857 1927 Das Wort "Gen" wurde 1909 durch den dänischen Biologen Wilhelm Johannsen eingeführt. Johannsen schrieb 1909: "Das Wort Gen ist völlig frei von jeder Hypothese; es drückt nur die sichergestellte Tatsache aus, dass viele Eigenschaften des Organismus durch besondere, trennbare und somit selbständige 'Zustände', 'Grundlagen', 'Anlagen' - kurz, was wir eben Gene nennen wollen - bedingt sind.
Wilhelm Johannsen, 1857 1927 Johannsen prägte auch die Begriffe Phänotyp und Genotyp für das Erscheinungsbild und die Eigenschaften eines Lebewesens. Phänotyp Genotyp Ausprägung einer genetischer Teilinformation Summe aller genetischer Information
Thomas Hunt Morgan, der Entdecker der Gene
Thomas Hunt Morgan, 1866 1945 1910 gelang es dem amerikanischen Biologen Thomas Hunt Morgen durch Vererbungsversuche mit der Taufliege Drosophila melanogaster zu zeigen, dass Gene, ähnlich wie eine Perlenkette, auf den Chromosomen aufgereiht sind. wildtype w + black/vestigial b/vg
Thomas Hunt Morgan, 1866 1945 wildtype w + black/vestigial b/vg + + + + b b vg vg + b + vg F 1
R r R R/R R/r r R/r r/r Mendels Experimente 6. Vorhersagen 1/3 R/R r/r 2/3 R/r r/r F 2 F 2 kreuzen Rund/runzelig: 1/0 Rund/runzelig: 1/1 R R R r r R/r R/r r R/r r/r r R/r R/r r R/r r/r
Thomas Hunt Morgan, 1866 1945 wildtype w + black/vestigial b/vg + + + + b b vg vg + b + vg F 1
206 + 185 965 + 944 + 206 +185 17 % Prozentsatz nicht elterliche Phenotypen Thomas Hunt Morgan, 1866 1945 + + + + b b vg vg Testkreuzung + b + vg b b vg vg + + b vg b vg b vg b + b vg + vg b vg 1/4 1/4 1/4 1/4 1/2 1/2 0 0 965 944 206 185