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Gentechnik
Der Begriff Gentechnik umfasst die Veränderung und Neuzusammensetzung von DNA-Sequenzen in vitro (z. B. im Reagenzglas) oder in vivo (in lebenden Organismen).
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Grundidee und Bedeutung
Gentechnik bezeichnet Methoden der Biotechnologie, die auf Molekularbiologie und Genetik beruhen. Sie ermöglichen gezielte Eingriffe in das Erbgut (Genom) von Lebewesen oder in virale Genome und beeinflussen dadurch biochemische Steuerungsvorgänge. Zunächst entsteht meist rekombinante DNA: DNA, deren Abschnitte neu zusammengesetzt wurden. Mit ihr können gentechnisch veränderte Organismen (GVO) hergestellt werden.
Die Verfahren verändern oder kombinieren DNA-Sequenzen in vitro, also beispielsweise im Reagenzglas, oder in vivo, also in lebenden Organismen. Dazu zählt das gezielte Einbringen von DNA in Zellen. DNA kann innerhalb einer Art oder über Artgrenzen hinweg übertragen werden, weil fast alle Lebewesen denselben genetischen Code verwenden; Ausnahmen weichen nur leicht davon ab.
Man unterscheidet Anwendungsbereiche: Grüne Gentechnik betrifft Pflanzen, Rote Gentechnik Medizin und Pharmazie, Weiße Gentechnik die Industrie. Graue Gentechnik betrifft besonders die Abfallwirtschaft, Blaue Gentechnik Lebewesen des Meeres, insbesondere Tiefseebakterien.
Transgene Nutzpflanzen wurden seit ihrer Erstzulassung 1996 weltweit wichtiger. 2015 wurden sie in 28 Ländern auf 179 Millionen Hektar angebaut, knapp 12 % der globalen Landwirtschaftsfläche von 1,5 Milliarden Hektar. Häufig sind sie gegen Pflanzenschutzmittel tolerant oder für bestimmte Schadinsekten giftig. Für Landwirte, besonders in Entwicklungsländern, werden trotz höherer Saatgutkosten teilweise Ertrags-, Einkommens- und Gesundheitsvorteile, Arbeitserleichterungen und geringere Umweltbelastungen beschrieben. Wissenschaftlich wird zugelassenen Sorten Unbedenklichkeit für Umwelt und Gesundheit attestiert; Umweltverbände, Anbieter ökologischer Produkte und einige politische Parteien lehnen grüne Gentechnik ab.
Gentechnisch veränderte Tiere dienen vor allem als Versuchstiere in der Forschung. Für menschlichen Verzehr oder zur Eindämmung von Infektionskrankheiten waren sie laut Artikel noch nicht zugelassen.
Wichtige molekularbiologische Verfahren
Die Erzeugung eines GVO umfasst meist zwei Schritte: Bei der Klonierung wird rekombinante DNA hergestellt; anschließend wird sie, abhängig vom verwendeten Vektor, etwa durch Transfektion oder Transformation in Zellen eingeschleust. Beim Genome Editing werden zusätzlich sequenzspezifische Endonukleasen eingesetzt, also Enzyme, die DNA an bestimmten Sequenzen schneiden.
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt einen DNA-Abschnitt, wenn dessen Anfangs- und Endsequenz bekannt sind. Kurze DNA-Sequenzen und das Enzym DNA-Polymerase verdoppeln den passenden Abschnitt einer Vorlage. Jede Kopie dient im nächsten Zyklus wieder als Vorlage. Nach beispielsweise 20 Zyklen ist die Zahl der ursprünglichen Sequenzkopien um das 10^6fache gestiegen. Deshalb genügen sehr geringe DNA-Mengen, etwa für einen genetischen Fingerabdruck.
DNA-Sequenzierung bestimmt die Reihenfolge der Nukleotide, der Bausteine der DNA. Chemische, enzymatische und physikalische Methoden sowie Automatisierung und Bioinformatik ermöglichten die Sequenzierung vieler vollständiger Genome, darunter des menschlichen.
Bei der Klonierung kann ein Gen auf einen anderen Organismus übertragen werden, etwa das menschliche Insulin-Gen auf Bakterien. PCR gewinnt die Original-DNA und kann Erkennungssequenzen an ihre Enden anfügen. Restriktionsenzyme schneiden an solchen Sequenzen und erzeugen passende „klebrige Enden“ (sticky ends). Ligasen verbinden diese Enden zu einer durchgehenden DNA-Sequenz.
Ein Gen-Knockout macht ein bestimmtes Gen gezielt funktionsunfähig. Der Vergleich des Phänotyps, also der beobachtbaren Merkmale, von Organismen mit funktionierendem und defektem Gen zeigt dessen grundlegende Bedeutung. Reinerbige Knockout-Stämme werden beispielsweise genutzt, um Krebsentstehung an Mäusen mit defekten Tumorsuppressorgenen zu untersuchen.
DNA-Chips enthalten viele Kammern mit jeweils kurzen DNA-Stücken. Zugegebene menschliche DNA hybridisiert, also verbindet sich, mit passenden Gegenstücken. Farbsignale zeigen dann beispielsweise genetische Veranlagungen für Krankheiten an. RNA-Chips verwenden mRNA und erlauben Rückschlüsse auf Protein-Expressionsmuster.
Anwendungen in Landwirtschaft, Medizin und Industrie
In der Pflanzenforschung wird die Genfunktion oft durch den Vergleich von Wildtyp, Überexpressoren und Knockout-Populationen untersucht. RNAi ist eine Methode, bei der doppelsträngige RNA den Abbau der normalen RNA des untersuchten Gens auslöst. Weitere Verfahren klonieren Gene und bestimmen die Häufigkeit von Transkripten, den Bauanleitungen für Proteine, oder erfassen mit DNA-Chips die Ablesehäufigkeit vieler Gene.
Beim Agrobacterium-vermittelten Gentransfer werden Erbfaktoren zwischen Zellen verschiedener Lebewesen übertragen. Die somatische Hybridisierung kombiniert gewünschte Merkmale unterschiedlicher Elternpflanzen durch Zellfusion. Dabei müssen keine einzelnen Gene identifiziert und isoliert werden. Die Chromosomenzahl und damit der Ploidiegrad kann erhöht werden; dies kann die Ertragsfähigkeit durch den Heterosiseffekt steigern. Molekulare Marker oder biochemische Analysen dienen der Auswahl der entstandenen Pflanzen.
In der Roten Gentechnik werden viele Medikamente mit transgenen Mikroorganismen hergestellt. Anfang 2015 waren in Deutschland 175 Arzneimittel mit 133 verschiedenen gentechnisch erzeugten Wirkstoffen zugelassen; weltweit befanden sich über 350 Gentech-Substanzen in klinischen Prüfungen. Einsatzgebiete sind unter anderem Zuckerkrankheit, Blutarmut, Herzinfarkt, Wachstumsstörungen bei Kindern, Krebsarten und Bluterkrankheit.
Ein wichtiges Beispiel ist Insulin. Früher kam es von Rindern und Schweinen und war nicht vollständig baugleich mit menschlichem Insulin. Gentechnisch hergestelltes Insulin ersetzte es und verringerte unter anderem Probleme bei Unverträglichkeit gegenüber Tierinsulin. Auch gentechnisch hergestellte Medikamente für die Krebstherapie sind etabliert; laut einigen Krebsexperten könnten Interferon und blutbildende Wachstumsfaktoren bei bestimmten Tumorarten Therapien verbessern, Krankenhausaufenthalte verkürzen oder vermeiden und Lebensqualität erhöhen.
Die Gentherapie soll Krankheiten durch Austausch defekter Gene behandeln. Ex vivo werden Zellen entnommen, verändert und zurückgegeben. In vivo erhält der Patient Korrektur-DNA in einem Vektor, zum Beispiel Retroviren, der sie in Zielzellen etablieren soll. In der Weißen Gentechnik werden Mikroorganismen durch gelenkte Evolution und wiederholte Auswahl nach Produkterträgen verändert. Metagenome, die Gesamtheit der Genome eines Lebensraums oder einer Biozönose, können bisher unbekannte Biokatalysatoren und Stoffwechselprodukte erschließen.
Entwicklung der Gentechnik
Ältere Züchtung veränderte Erbgut bereits durch die Kombination natürlich vorkommender Mutationen, etwa vor rund 8000 Jahren bei Teosinte im heutigen Mexiko, aus der Vorläufer heutiger Maissorten entstanden. Mutationszüchtung erzeugte später künstliche Mutationen durch ionisierende Strahlung oder Mutagene. Bei Pflanzen lag der Erfolg nur bei 0,5 bis 1 % züchterisch brauchbarer Mutanten; für Tiere ist die Methode laut Artikel nicht brauchbar. Solche Organismen enthielten jedoch keine rekombinante DNA.
Die eigentliche Geschichte der Gentechnik begann 1971: Ray Wu und Ellen Taylor trennten mit 1970 entdeckten Restriktionsenzymen 12 Basenpaare vom Ende eines Lambdavirus-Genoms ab. Zwei Jahre später entstand das erste rekombinante Bakterium durch das Einschleusen eines Plasmids mit viraler und bakterieller DNA in Escherichia coli. Die Asilomar Conference on Recombinant DNA diskutierte im Februar 1975 Sicherheitsauflagen und wurde Grundlage späterer staatlicher Regelungen.
Wichtige weitere Schritte waren die Herstellung eines menschlichen Proteins in Bakterien 1977, die erste Markteinführung eines gentechnisch hergestellten Medikaments, Insulin, in den USA 1982, die Entwicklung der PCR durch Kary Mullis 1983 und die erste Gentherapie am 14. September 1990 an einem vierjährigen Mädchen. 1994 kamen gentechnisch veränderte Flavr-Savr-Tomaten im Vereinigten Königreich und in den USA auf den Markt. 1996 wurden erstmals transgene Sojabohnen in den USA angebaut.
Kennzeichnung und rechtliche Regeln
In der EU gilt seit dem 18. April 2004 eine Kennzeichnungspflicht für Produkte mit genetischer Veränderung, auch wenn diese im Endprodukt nicht mehr nachweisbar ist. Die Angaben lauten je nach Produkt beispielsweise „genetisch verändert“, „aus genetisch verändertem [Bezeichnung des Organismus] hergestellt“ oder „Dieses Produkt enthält genetisch veränderte Organismen“. Grundlage ist unter anderem die Verordnung 1830/2003 über Rückverfolgbarkeit und Kennzeichnung von GVO.
Ausgenommen sind Fleisch, Eier und Milch von Tieren, die gentechnisch veränderte Pflanzen gefressen haben, sowie mit genetisch veränderten Bakterien hergestellte Produktzusätze, Enzyme, Zusatzstoffe und Aromen. Kritiker fordern eine Kennzeichnung auch tierischer Produkte, weil laut Artikel 2005 etwa 80 % der angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen in die Futtermittelindustrie flossen. Eine nicht ausreichend belegte Angabe des Artikels besagt, dass Erbsubstanz aus gentechnisch veränderten Futtermitteln im Endprodukt zumindest als Fragmente nachweisbar sein könne. Keine Kennzeichnung ist erforderlich, wenn eine Verunreinigung unter 0,9 Gewichtsprozent liegt und zufällig oder technisch unvermeidbar ist; jede Zutat wird einzeln bewertet.
In Deutschland regelt das Gentechnikgesetz von 1990 Haftung, Strafvorschriften und Begriffe. Es ordnet Arbeiten nach Risiken für Gesundheit und Umwelt in vier Sicherheitsstufen ein: S1 bedeutet kein zu erwartendes Risiko, S2 geringes, S3 mäßiges und S4 hohes Risiko oder begründeten Verdacht darauf. Im Zweifel gilt die höhere Stufe. Die Gentechnik-Sicherheitsverordnung regelt den Umgang mit GVO genauer.
In Österreich wurde 1997 ein Volksbegehren angenommen, das Verbote von Produktion, Import und Verkauf gentechnisch veränderter Lebensmittel, von Freisetzungen und von Patenten auf Lebewesen forderte; der Beschluss wurde am 16. April 1998 nach dritter Lesung angenommen. In der Schweiz wurde 2005 ein landwirtschaftliches Moratorium beschlossen und laut Artikel bis Ende 2025 verlängert; Forschung auf kleinen Flächen ist unter Auflagen möglich, bestimmte GVO als Futter- und Lebensmittel können zugelassen sein. Arzneimittel und Dünger sind nicht vom Moratorium betroffen. In den USA und Kanada ist die Kennzeichnung gentechnisch veränderter Lebensmittel beispielsweise freiwillig.
