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Schule > Biologie > Genetik > Gentechnik - Definition, Verfahren, Wirkung, Ziele, Risiken

1. Gene

1.1. Definition und Erläuterung

Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Informationen eines Eiweißes enthält. Das Leben auf der Erde beruht auf den Bau und die Funktion von Eiweißen. Man unterscheidet hierbei in Struktur- und Funktionseiweiße. Grundbausteine der Eiweiße sind die 20 verschiedenen Aminosäuren, diese können zu tausenden verknüpft sein. Die Funktion und Eigenschaften eines Eiweißes werden durch die Anzahl und Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette bestimmt. Allgemein werden Gene als Erbanlage bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an die Nachkommen weitergegeben werden.

1.2. Aufbau

Den Träger der Information, die von einer Zelle benötigt wird, um ein bestimmtes Protein zu produzieren, nennt man ein Gen. Es besteht aus zwei Einzelsträngen die sich gegenseitig zu einer Doppelhelix umwinden. Jeder dieser Einzelstränge besteht aus drei Grundbausteinen: das Zuckermolekül die Desoxyribose mit 5 C-Atomen (verbunden mit organischen Basen: Adenin, Cytosin, Guanin, Tymin) die Phosphorsäuremoleküle. Daraus ergibt sich das Nukleotid, welches bestehend ist aus: Desoxyribose (Zucker), org. Base und Phosphormoleküle. Die zwei Einzelstränge sind verbunden mit einer komplementären Basenbindung, dabei ist zu Beachten das die Verbindung nur zwischen Adenin und Tymin und Guanin und Cytosin möglich ist. Außerdem verhalten sich die zwei Einzelstränge Antiparallel, d.h. ein Strang enthält die genetische Information und der 2. Strang ist das komplementäre Abbild dazu. Die gesamte DNA einer Zelle wird auch Genom genannt. Das Genom als ganzes enthält die komplette Information, die zur Entwicklung eines Lebewesens notwendig ist. Die Art der Information eines Abschnittes der DNA wird durch die Abfolge - die sogenannte Sequenz - der vier Bausteine bestimmt.

1.3. Bedeutung

Die Entdeckung der Gene als Informationsträger der Erbsubstanz haben alle Wissenschaften auf eine grundlegende Art verändert. Gene steuern mittelbar oder unmittelbar alle Funktionen in Lebewesen. Die Kenntnis der Gene und der Umsetzung der in ihnen enthaltenen Informationen sind daher der Schlüssel zum Verständnis des Lebens.

2. Gentechnik

2.1. Definition und Erläuterung

Definition:
Die Gentechnik ist ein Teilbereich der Biotechnologie. Begriff für verschiedene molekularbiologische Techniken, die ermöglicht DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren und in geeigneten Wirtszellen zu vermehren.
Die Gentechnik ist ein Verfahren zur gezielten Veränderung des Erbguts von Organismen.
Die bei Pflanzen angewandte Gentechnik bezeichnet man als Grüne Gentechnik.
Die Gentechnik bei Mensch und Tier wird Rote Gentechnik genannt.

Erläuterung:
Genauer beschäftigt sich die Gentechnologie oder Gentechnik mit der Verknüpfung von Nukleinsäure-Molekülen zu neuen, vermehrbaren Molekülen, die Einführung solcher Moleküle in einen Empfängerorganismus und die Vermehrung der neukombinierten Moleküle in diesem Organismus. Zunächst wird die DNA eines Spenderorganismus isoliert und in Teilstücke in verwendbarer Größe zerlegt. Danach muss ein geeigneter Vektor (Plasmide aus Bakterienzellen - kleine, ringförmige DNA-Moleküle, für die Übertragung der Spender-DNA in eine Wirtszelle) isoliert werden. Die Vektor-DNA und die Spender-DNA werden zusammengebracht und ein Stück der Spender-DNA wird von der Vektor-DNA aufgenommen. Danach überträgt man die im Vektor neukombinierte DNA in die Zellen eines geeigneten Empfängerorganismus und vermehrt die Zellen mit der neuen genetischen Information. Die Zellen des Empfängerorganismus stellen dann z.B. ein Genprodukt (z.B. ein Protein) her. Die entstandenen Organismen nennt man transgene Organismen oder gentechnisch veränderte Organismen (GVO, z.B. gentechnisch veränderter Mais).

2.2. Werkzeuge der Gentechnik

In der Gentechnik gibt es einige Werkzeuge die man benötigt. Hier wichtig zu nennen wären die Restriktionsenzyme (Restrictions-Endonucleasen), die als Bakterien bekannt sind. Es sind Nukleasen (Enzyme) die die DNS spalten können. Jedes Restriktionsenzym erkennt eine spezifische DNA-Basensequenz. Nach ihren Eigenschaften unterscheidet man drei Typen:
Typ I schneidet die DNA an einer zufälligen Stelle weit von der Erkennungssequenz entfernt. Hierbei wird ATP benötigt, um eine Methylgruppe von S-Adenoyl-Methionin zu transferieren.
Typ II schneidet die DNA innerhalb der Erkennungssequenz. Hierbei wird kein ATP benötigt kein ATP, da es keine Methyltransferase-Aktivität hat.
Typ III schneidet die DNA etwa 20 bis 25 Basenpaare von der Erkennungssequenz entfernt. Hierbei wird ATP benötigt, um eine Methylgruppe von S-Adenoyl-Methionin zu transferieren.

Unten sind verschiedene Abbauergebnisse unter Einwirkung eines bestimmten Restriktionsenzyms abgebildet:
Ein zweites wichtiges Werkzeug der Gentechnik ist die Ligase. Hierbei können sich die DNS-Fragmente mit 'sticky ends' aufgrund ihrer 'klebrigen Enden' über Wasserstoffbrücken zu längeren Stücken aneinander lagern. Diese zusammengesetzten Fragmente sind jedoch hitzeempfindlich und können bei Temperaturerhöhung wieder auseinanderfallen.
Zwei DNA-Fragmente mit den gleichen sticky ends können sich aneinander lagern. (Grafiken siehe Datei)
Bei den Pfeilen sind die Nukleotide noch nicht fest verbunden. (Grafiken siehe Datei)
Die Ligase hat die DNA-Fragmente kovalent verknüpft. (Grafiken siehe Datei)
Das Enzym Ligase kann jedoch die aneinanderstoßenden Enden der 'Holme' der 'DNS-Leitern' fest verbinden, so dass sie bei Temperaturerhöhung nicht mehr getrennt werden können. Die Enden der DNS-Fragmente werden durch die Ligase kovalent miteinander verknüpft, so dass stabile Moleküle entstehen.
Ein drittes Werkzeug, welches hier zu nennen wäre, sind die Vektoren. Vektoren sind Vehikel, mit denen man gentechnisch Erbinformation von einer Zelle in eine andere überträgt.
Dabei greift man meist wieder auf aus der Bakterien-Genetik bekannte Mechanismen zurück.

2.3. Gentechnische Verfahren

Gentechnische Verfahren ermöglichen den genetischen Austausch zwischen unterschiedlichen, auch biologisch entfernten Organismen, der in der herkömmlichen Züchtung aufgrund von Artschranken nicht möglich ist.
Die Pflanzengentechnik hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Erstmals wurde 1984 eine Arbeitsmethode veröffentlicht, die das Integrieren fremder DNA in das Erbgut von Pflanzen ermöglichte.

Heutzutage gibt es mehrere Verfahren zur Manipulation von Erbgut (an Pflanzen). Alle Methoden der Pflanzengentechnik laufen nach folgenden Schritten ab:
1. Isolierung des Gens
2. Bildung von Vektoren (biologisch, chemisch oder physikalisch)
3. Vermehrung des Gens
4. Einschließen der DNA in die Pflanzenzellen (Transfektion)
5. Auslese von transformierten Zellen
6. Bildung transgener Pflanzen
Die Verfahren gehen allgemein viel schneller vonstatten als bei der klassischen Pflanzenzüchtung.

Hier sind 3 wichtige Methoden zu gentechnischen Veränderung von Pflanzen:

a) Gentransfer
Gentransfer ist allgemein der Austausch genetischen Materials zwischen verschiedenen Lebewesen. Es gibt einen horizontalen und einen vertikalen Gentransfer.
Der vertikale Gentransfer ist ein Vorgang, der normalerweise als Kreuzung bezeichnet wird.
Horizontaler Gentransfer ist das Aufnehmen und die Weitergabe von genetischem Material nicht auf einem sexuellen Fortpflanzungsweg auch außerhalb der Artgrenzen.
In der Gentechnik ist Gentransfer die Übertragung von einzelnen Genen von einem Spenderorganismus auf einen Empfängerorganismus.
Bei der Methode ist die Integration der Fremd-DNA nicht zielgerichtet. Ob ein integriertes fremdes Gen den erwünschten Effekt erreicht ist von vielen Faktoren abhängig. Die DNA darf beispielsweise nicht beschädigt sein, doch das ist bei diesem Verfahren nicht immer möglich.

b) Protoplastentransfer
Protoplasten sind Pflanzenzellen ohne Zellwand, sie werden künstlich durch enzymatischen Verdau der Zellwände erzeugt.
Der Protoplast ist nur von einer Membran umgeben und damit für die Aufnahme von DNA zugänglich. Die Fremd-DNA wird aufgenommen und häufig in das eigene Erbgut (Genom) integriert.
Das Verfahren ist jedoch auf ein paar Pflanzenarten beschränkt, da die Regeneration einer vermehrungsfähigen und vollständigen Pflanze nur bei einigen Arten funktioniert.

c) Ballistische Verfahren
Das direkte Einbringen von DNA in Zellen kann nicht nur durch biologische, sondern auch durch physikalische Mittel realisiert werden.
1985 wurde eine Technik entwickelt, die DNA mit einer sogenannten Genkanone, die wie ein Schrotgewehr funktioniert, in Pflanzenzellen integriert. Dabei werden kleinste Metallkugeln aus Wolfram oder Gold mit DNA beschichtet und mit der Genkanone abgeschossen. Um die Zellwände zu durchdringen wird eine hohe Geschwindigkeit aufgebracht, wobei Zellen die sich in der Schusslinie befinden abgetötet werden. Zellen außerhalb des Zentrums überleben aufgrund der geringen Größe der Metallkügelchen.
Die DNA-Moleküle des anderen Organismus werden in das Erbgut der Pflanze integriert. Zielobjekte können z.B. Blätter sein.
Einige Kulturpflanzen wurden bisher mit dieser Methode transformiert, 1992 gelang beispielsweise erstmalig die Transformation von Weizen.

2.4.Gentechnik bei Pflanzen

2.4.1.Allgemein

Gezielte Erbgutveränderungen bei Pflanzen sind nichts Neues. Von jeher hat der Mensch Pflanzen ausgelesen und gezielt auf bestimmte Eigenschaften gezüchtet. Das jahrzehntelange Kreuzen und Auslesen führte zu den Hochleistungssorten, die wir heute haben. Und lange bevor die Gentechnik neue Möglichkeiten bot, hat man die Züchtung im Labor optimiert, zum Beispiel mit der

2.4.2. Am Beispiel der Zuckerrübe

Die Zuckerrübe gehört zur Familie der Gänsefußgewächse. Der Zucker ist ein bedeutendes Lebensmittel pflanzlicher Herkunft und wird aus Zuckerrüben gewonnen. In der Zuckerrübe werden die Kohlenhydrate der Zellen gespeichert. Der Zuckergehalt in Zuckerrüben beträgt etwa 16-18 %, liegt aber eine Viruserkrankung vor, sinkt er auf unter 10 % ab.
Die Viruserkrankung, die Zuckerrüben befällt, wird Wurzelbärtigkeit genannt. Die Erkrankung wird durch das Adernvergilbungsvirus, das in dem Bodenpilz vorkommt, ausgelöst. Das Virus kann bis zu 15 Jahre in den Sporen des Bodenpilzes überleben.
Bislang versuchte man, die Zuckerrüben mithilfe von Fungiziden vor dem Virus zu schützen, denn das Virus kann ohne den Überträger nicht überleben. Alternativ erprobte man die Züchtung virusresistenter Zuckerrübensorten durch Kreuzung mit virusresistenten Wildrüben. Die virusresistenten Sorten sind allerdings weniger ertragreich als die infektionsgefährdeten Zuckerrübensorten. Durch konventionelle Züchtung könnten virusresistente Zuckerrüben, die den gleichen Ertrag wie gewöhnliche Sorten bringen würden, gezüchtet werden. Der Züchtungserfolg ist aber sehr zeitintensiv.
Die Pflanzengentechnik eröffnet eine weitere Möglichkeit, virusresistente Zuckerrüben herzustellen: in das Genom der Zuckerrübenzellen wird das Virusgen, das die Information zur Herstellung des Virus-Hüllproteines trägt, eingeschleust. Die Pflanze produziert so selbst das Virus-Hüllprotein in allen Pflanzenteilen, wodurch die Pflanze eine Widerstandsfähigkeit gegenüber der Viruserkrankung besitzt.
Die transgenen Zuckerrüben, die seit 1993 in Deutschland auf Versuchsfeldern angebaut werden, bringen auf den virusbefallenen Feldern normale Erträge. Die gentechnische Veränderung hat keinen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Zuckers, da die Stoffwechselwege in der Zuckerrübe nicht verändert werden und die hohen Temperaturen bei dem Verfahren der Zuckerherstellung alle Proteine denaturieren.
Die Zuckerrübe ist im Vergleich zu anderen Nutzpflanzen wenig konkurrenzfähig gegenüber Unkräutern, so dass ständig Herbizide eingesetzt werden müssen. Man entwickelt deswegen herbizidresistente Pflanzen.

2.4.3. Ziele der gentechnischen Veränderung von Pflanzen

Die Hauptziele der gentechnischen Veränderung von Pflanzen, vor allem von Nutzpflanzen sind Folgende:
1.Pflanzen gegen Schädlinge und Herbizide resistent machen.
2.Die Qualität der Ernteprodukte steigern und den Bedürfnissen der Menschen (zur Verwendung als Nahrungsmittel) und der industriellen Verarbeitung anpassen.
3.Die Produktivität von Nutzpflanzen quantitativ zu verbessern.
4.Eine Minimierung des Dünger- und Pflanzenschutzmittelverbrauchs in der Pflanzenproduktion.
5.Landwirtschaft in ungünstigen Gebieten durch Nahrungspflanzen mit Resistenz gegen Wassermangel, extreme Wärme, Salz, Trockenheit, Frost, Ozonbelastung und Schwermetallen.

2.5.Risiken der Gentechnik an Pflanzen

2.5.1.Risiken für Menschen

Die gentechnisch veränderten Produkte sind schädlich für den menschlichen Organismus. Es entstehen Risiken für Allergiker, da sie nicht nachvollziehen können, was in einem Produkt enthalten ist. Daraus folgt, dass eine Ernährung entsprechend ihrer Krankheit nicht mehr möglich ist. Ein Beispiel ist das in der Sojabohne enthaltene Paranuss-Gen. So sind Menschen mit einer Nussallergie stark gefährdet, da in ca. 30.000 Produkten Soja enthalten ist.
Dazu kommt, dass die Gentechnik und deren Wirkung auf den menschlichen Körper noch nicht genau erforscht ist. Beispielsweise wurden genmanipulierte Kartoffeln in einer Langzeitstudie an Ratten getestet, bei denen es zu einer Rückbildung und Verkleinerung bestimmter Organe kam.

2.5.2. Risiken für die Umwelt

Man versucht, dass Pflanzen giftige Stoffe produzieren, die sie vor Schädlingen schützen sollen. Diese Versuche können aber auch unvorhersehbare Gefahren mit sich bringen. Außerdem können durch die Windbestäubung genmanipulierte Pollen auf verwandte Pflanzen übertragen werden. Auch daraus folgen nicht vorhersehbare Entwicklungen der Pflanzen. Es kann zu Mutationen kommen, wenn sich genetisch nicht veränderte und veränderte Pflanzen kreuzen. Dieses Risiko besteht vor allem bei Getreide.
Durch die Veränderung des Erbmaterials der Pflanzen kann es zu einem stark vergrößertem Herbizid- und Pflanzenschutzmitteleinsatz kommen, da die Pflanzen durch die Manipulation resistenter gegen diese Mittel werden könnten.
Durch das Auskreuzen der Pflanzen kann es auch zu einer drastischen Verringerung der Artenvielfalt kommen. Desweiteren erfolgt eine komplette Störung des ökologischen Gleichgewichts durch die gentechnische Manipulation an Pflanzen.

2.5.3. Risiken für Tiere

Die Produktion giftiger Substanzen und Schädlingsbekämpfungsmitteln von Pflanzen kann nicht nur tödliche Auswirkungen auf den bestimmten Schädling haben, sondern auch auf artverwandte Tiere, die nützlich sind. Als Beispiel ist eine Gift produzierende Genmaissorte (hauptsächlich in USA angebaut) zu nennen, welche nicht nur den Maiszünsler, eine Art Motte tötet, sondern auch den harmlosen Monarchenfalter, einen Schmetterling, der die Maisblüten bestäubt. Daraufhin sterben 50% der Falter, nachdem sie mit den Pollen in Berührung gekommen sind.

2.5.4. Risiken für die Wirtschaft

Landwirte könnten abhängig von der Chemieindustrie und deren ertragreichen Pflanzen und den dazu angebotenen Unkrautbekämpfungsmitteln werden.
Folgen davon sind die Monopolbildung und Hochertragssorten, die bestimmte Chemikalien benötigen, die sich Bauern und Landwirte in der 3. Welt nicht leisten können bzw. noch abhängiger machen.

3. Bewertung der Gentechnik

3.1. Christins Haltung

Ich finde Gentechnik ist ein heikles Thema. Es mag Menschen in vielerlei Hinsicht helfen und anderen Dingen Nutzen bringen. Auch wären wir heute nicht auf dem Wissenstand, auf dem wir jetzt sind, wenn es die Möglichkeit nicht gäbe, Gene zu erforschen. Ich denke aber auch, dass Gentechnik genauso viel Schaden anrichten kann. Wenn es entsprechende Gesetze gibt die regeln wie weit in die "Schöpfung" eingegriffen werden darf, kann ich die Gentechnik nicht ablehnen. Man kann sich nicht nur immer die schlechten Dinge heraus picken, nur weil man selber die Neuerungen scheut. Die Menschheit entwickelt sich ständig weiter, immer gab es ein paar Leute die sich neuen Dingen in den Weg stellen wollten, selbst wenn es vielleicht dem Wohle der Mehrheit dient. Die Gentechnik und -forschung ist ein schmaler Grad zwischen Ethik, Notwendigkeit und übertriebenem Forscherdrang. Hier muss man das gesunde Mittelmaß finden können, um Gentechnik vollständig als Vorteil zu sehen.

3.2. Haltung

Meiner Meinung nach hat Gentechnik Vor- und Nachteile, deshalb spreche ich mich weder für pro noch für contra aus. Es gibt sicher gute Argumente, die für die weitere Ausbildung und Geldinvestitionen in den Forschungsbereich sprechen, doch auf dem jetzigen Wissensstand sollte die Gentechnik nur in Laboren betrieben werden und sich nicht schon auf Felder usw. ausbreiten, da oft unvorhersehbare Folgen eintreten können. Es können durch die Entwicklung neuer, besserer genmanipulierter Pflanzen andere Pflanzenarten und Tiere aussterben, wodurch man aber keinen Fortschritt erzielt, sondern nur die Grundlage einer Störung des ökologischen Gleichgewichtes schafft.
Ich denke erst wenn die Gentechnik völlig erforscht und vom Menschen kontrollierbar ist, sollte sie auch für die Öffentlichkeit zugänglich sein, doch dieses Thema wird wohl immer ein Streitpunkt bleiben.

4. Quellen

http://www.onmeda.de
http://wikipedia.de/Gentechnik
http://www.chemgapedia.de
http://www.hausarbeiten.de
http://www.chemgapedia.de
http://www.brainworker.ch/Globalisierung/gentechnologie.htm
http://www.tab.fzk.de/de/projekt/zusammenfassung/ab55.htm
http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/daten/GVO.htm
http://www.i-s-b.org/wissen/broschuere/glossar.htm
http://www.science-live.de/info/glossar.htm
http://www.biologie.de/biowiki/Gentechnik
http://home.main-rheiner.de/hans-ulrich.hill/gentec3.htm
Wikipedia.org unter Stichwort Gentechnik
Wikipedia.org unter Stichwort Gentechnisch veränderte Organismen
Wikipedia.org unter Stichwort Technik zur Veränderung der Gene
(Grafiken siehe Datei)

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