Methoden der Gentechnik einfach erklärt

DNA trägt die Erbinformation. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, dessen Information unter anderem für die Herstellung eines Proteins genutzt werden kann. Gentechnische Werkzeuge erfüllen verschiedene Aufgaben. Ein Restriktionsenzym schneidet DNA an bestimmten Stellen, eine Ligase verbindet passende Enden dauerhaft und ein Vektor transportiert DNA in Zellen. Häufig dienen Plasmide, kleine ringförmige DNA-Moleküle aus Bakterien, oder veränderte Viren als Vektoren. Restriktionsenzyme helfen Bakterien natürlicherweise bei der Abwehr von Bakteriophagen, also Viren, die Bakterien befallen.

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt einen ausgewählten DNA-Abschnitt. Zwei Primer, kurze DNA-Stücke, binden an den Grenzen des Zielabschnitts; eine Polymerase ergänzt neue Stränge. Wiederholte Zyklen liefern viele Kopien. Eine Gelelektrophorese trennt vorhandene DNA-Fragmente nach ihrer Länge: Negativ geladene DNA wandert im elektrischen Feld zum Pluspol, kleinere Fragmente gelangen im selben Gel weiter. Nach dem Sichtbarmachen erscheinen Fragmente ähnlicher Länge als Banden. Eine Bande zeigt eine Position und damit ungefähr eine Länge, aber nicht automatisch die Basenfolge oder die Anzahl verschiedener Fragmente in der ganzen Probe.

Die DNA-Sequenzierung bestimmt die Reihenfolge der Basen eines DNA-Abschnitts. Ein Kettenabbruchverfahren verbindet eine PCR-ähnliche Reaktion mit einer Trennung nach Fragmentgröße. Neben gewöhnlichen Bausteinen werden markierte Didesoxynukleotide angeboten. Wird ein solcher Baustein eingebaut, endet die Verlängerung des neuen Strangs an dieser Stelle. So entstehen markierte Fragmente verschiedener Länge. Ein Gerät trennt sie; die Reihenfolge ihrer Farbsignale ergibt die Basenabfolge des untersuchten Abschnitts.

PCR und Sequenzierung beantworten daher verschiedene Fragen: Die PCR liefert Kopien eines gewählten Abschnitts, die Sequenzierung seine Basenfolge.

Bei der DNA-Klonierung wird ein ausgewähltes Fragment mit einem Vektor vervielfältigt. Ein typischer Weg nutzt ein Plasmid: Plasmid und Ziel-DNA werden passend geschnitten. Die Enden lagern sich aneinander; eine Ligase verbindet sie zu einem rekombinanten Plasmid aus DNA-Abschnitten unterschiedlicher Herkunft. Das Plasmid wird in Bakterienzellen übertragen; diese Aufnahme fremder DNA heißt Transformation. Danach werden Zellen mit aufgenommenem Plasmid ausgewählt und vermehrt.

Zur Selektion kann das Plasmid ein Resistenzgen tragen. Auf einem Nährboden mit dem entsprechenden Antibiotikum wachsen dann Zellen mit dem Plasmid. Das zeigt zunächst dessen Aufnahme, nicht den fehlerfreien Einbau des Zielabschnitts. Transformation bedeutet auch nicht, dass das Plasmid in das Bakterienchromosom eingebaut wurde.

Genome Editing verändert gezielt Stellen eines Genoms. Bei CRISPR/Cas9 führt eine passende RNA das Enzym Cas9 zur Zielsequenz. Cas9 schneidet die DNA; erst bei der folgenden zellulären Reparatur entsteht die endgültige Veränderung. Dabei kann ein Gen funktionslos werden. Mit einer passenden DNA-Vorlage kann eine gewünschte Sequenz in den reparierten Bereich übernommen werden. Unbeabsichtigte Veränderungen und Folgen müssen trotz gezieltem Schnitt geprüft werden.

Beginne mit der biologischen Frage und ordne jedem Schritt eine passende Methode zu. Willst du einen seltenen Abschnitt lesen, liefern Primer und PCR zunächst Kopien; ein Gel kann die Länge prüfen und Sequenzierung liest die Basenfolge. Diese Ergebnisse sind verschieden und nicht austauschbar.

Beim direkten Gentransfer gelangt DNA ohne Transportvektor in eine Zelle, etwa durch Mikroinjektion oder Genkanone. Beim indirekten Gentransfer übernimmt ein Vektor wie ein Plasmid oder verändertes Virus den Transport. Prüfe bei jeder Anwendung getrennt, ob der Schritt technisch machbar ist, welche beabsichtigten und unbeabsichtigten Folgen auftreten können und ob er ethisch und rechtlich zulässig ist. Eine geschlossene Anlage stellt andere Umweltfragen als die Freisetzung eines veränderten Organismus. Machbarkeit allein belegt weder Nutzen noch Sicherheit.