Gentechnik & Klonen
Klonen und Grundlage der Gentechnik
Klonen
Klonen Allgemein:
Der Begriff stammt aus dem Griechischen und heißt übersetzt: „Sprössling“. Das Klonen wird als künstliche Entwicklung definiert, in der man genetisch identische Nachkommen eines Lebewesens erzeugt.
Unterschied zur „normalen“ Zeugung:
Bei der normalen Zeugung werden die Erbanlagen der Mutter sowie die vom Vater vererbt und jeder Nachkomme ist auf seine Art genetisch anders. Durch das Klonen wird quasi ein Wesen „kopiert“. Also erhält man das gleiche Wesen noch einmal, mit den gleichen genetischen Faktoren. Dies wird auch reproduktives Klonen genannt.
Reproduktives Klonen
Reproduktives Klonen:
Beim reproduktiven Klonen wird aus einer gewünschten bzw. gesuchten Körperzelle z.B. einer Hautzelle der Zellkern entfernt. Der Zellkern wird mit der ausgewählten Eizelle des Wesens, welche keinen Kern mehr in sich hat verschmolzen. Die Eizelle mit dem Zellkern vermehrt sich. Die Zelle muss danach stimuliert werden, also sie „muss glauben“, dass sie befruchtet wurde. Danach wartet man bis die DNA ausgereift ist und man anschließend die Zelle in das Lebewesen einsetzten kann.
BSP: Klonschaf Dolly
Als aller erstes wird dem Spenderschaf eine Körperzelle entnommen. Der Kern mit der Erbinformation herausgelöst und in eine leere Eizelle eines anderen Schafes eingefügt. Anschließen beginnt, nach Stimulierung der Eizelle mit Chemikalien oder elektrischen Reizen, der Prozess der Zellteilung, woraus der Embryo entsteht, welcher dann in die Leihmutter eingesetzt und normal vom Mutterschaf ausgetragen.
Therapeutisches Klonen
Dies wird auch therapeutisches Klonen genannt. Diese Art des Klonens hat den Zweck, auf einen Spender speziell gezüchtetes Gewebe herzustellen. Aus den Stammzellen die dem Körper entnommen werden, kann Blut, Muskel-, Nerven-, Haut- oder Leberzellen gewonnen werden. Die Transplantation hat bei vielen das Problem, dass das Gewebe vom Körper nicht aufgenommen wird. Beim therapeutischen Klonen kann dies nicht passieren, da diese Zellen die Erbinformationen des Patienten tragen und daher nicht abgestoßen werden.
http://flexikon.doccheck.com/de/Reproduktives_Klonen
https://prezi.com/vtto8m7mtrwi/das-klonen-von-menschlichen-organen-therapeutisches-klonen/
https://www.bmel.de/DE/Landwirtschaft/Pflanzenbau/Gentechnik/_Texte/Gentechnik_Wasgenauistdas.html
Carina Zemen, 5HIA, HLMW9, 2018
Meilensteine in der Geschichte der Genetik und Gentechnik
Gentechnik ist ein Teilgebiet der Biotechnologie. Die Grundlagen der Gentechnologie liefern die Molekularbiologie und Genetik.
Die Gentechnologie ermöglicht gezielte Eingriffe in das Erbgut von Lebewesen, somit können Wisseschafter und Wisseschafterinnen gezielt in die biochemischen Steuerungsvorgänge von Lebewesen bzw. viraler Genome eingreifen und diese manipulieren.
Meilensteine in der Geschichte der Genetik und der Gentechnik
1865 | Der Augustinermönch Gregor Mendel (1822-1884) präsentiert seine Vererbungsgesetze, die er aus Beobachtungen bei Erbsen gewonnen hat. Er geht davon aus, dass unsichtbare Erb-Faktoren von einer Generation an die nächste weitervererbt werden. Mendels Erkenntnisse werde zu seiner Zeit nicht anerkannt und erst Jahre nach seinem Tod wiederentdeckt. |
1902/03 | Stanborough Sutton entwickelt die These, dass Mendels „Faktoren“ auf den Chromosomen lokalisiert sind. |
1905 | Edmund Wilson und Nellie Stevens vermuten, dass X- und Y-Chromosomen das Geschlecht bestimmen. |
1909 | Der Däne Wilhelm Johannsen führt den Namen „Gene“ für Mendels Faktoren ein. |
1910 | Thomas Hunt Morgan entdeckt die Position verschiedener Drosophila-Gene auf den Chromosomen. Die Taufliege wird zum „Haustier“ der Genetiker. Der Begriff „Biotechnik“ wird geboren. |
1938 | Hans Spemann klont mit Hilfe der Zellkerne eines Salamander-Embryos identische Zwillinge |
1950 | Barbara McClintock etdeckt im Mais die „springenden Gene“ und erhält dafür später den Nobelpreis.
|
1951 | Rosalind Franklin machtscharfe Röntgen-Kristall-Aufnahmen der DNA. Dies führt dazu, dass James Watson und Francis Crick die doppelsträngige Struktur der DNA in „Nature“ veröffentlichen. Watson und Francis Crick erhalte den Nobelpreis, Franklin geht für ihre Pionierarbeit leer aus und wird nicht einmal erwähnt.
Außerdem werden 1951verste menschliche Zellkulturen entwickelt |
1953 | James Watson und Francis Crick entwickeln und präsentieren das Modell der doppelsträngigen Struktur der DNA |
1958 | Arthur Kornberg die isoliert die „DNS-Polymerase“ . Mit diesem Enzym, kann DNA im Laor hergestellt werden. |
1960 | Die Boten-RNA, der Informationsträger zwischen DNA und Proteinen wird isoliert. |
1962 | Gurdon (Oxford) behauptet, dass er Frösche aus Darmzellkernen erwachsener Tiere geklont hat. |
1966 | Der genetische Code wird entschlüsselt |
1970 | Hamilton Smith und Kent Wilcox isolieren das erste „Restriktionsenzym“, eine „Genschere“, die DNA an definierten Stellen zerschneidet.
|
1972 | Paul Berg utzt eine Genschere, um DNA von Bakterien und Viren zu schneiden. Weiterhin setzt er das Enzym Ligase ein, um zwei DNA-Stränge zu einem kreisförmigen Molekül zu verbinden. Diese Techniken sind die Grundlage für die Gentechnik. |
1973 | Die Geburtsstunde der Gentechnik:
Stanley Cohen und Annie Chang an der Stanford University und Herbert Boyer an der UCSF bringen erstmals DNA von einer Lebensform in eine andere ein. Die Wisseschafter/innen bringen virale und bakterielle DNA zusammen und erhalten einen Ring mit zwei Antibiotika-Resistenzen. Dann integrieren sie diese DNA in die DNA des Bakteriums Escherichia coli – der erste gentechnisch veränderte Organismus wurde geschaffen. |
1978 | Boyer konstruiert eine synthetische Version des menschlichen Insulin-Gens und setzt es in das Bakterium Escherichia coli ein. |
1980 | Exxon patetiert ein Öl fressendes Bakterium |
1983 | das Aids-Virus (HIV) wird isoliert, ein Jahr später sind seine Erbanlagen vollständig aufgeklärt |
1984 | Steen Willadsen von der Cambridge University in England klont Schafe aus frühen Embryo-Zellen. Er fusioniert auch Zellen verschiedener Arten und schafft die „Schiege“, eine Chimäre aus Schaf und Ziege (mit Zellen von Schaf und Zellen von Ziege). |
1985 | dem Engländer Alec Jeffreys elingt erstmals ein genetischer Fingerabdruck.
Gentechnisch veränderte Pflanzen mit Resistenzen gegen Viren, Insekten und Bakterien werden getestet. Kary B. Mullis veröffentlicht einen Artikel über die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), eine Methode, um kleine Mengen an DNA beliebig zu vervielfältigen. Diese Methode wird auch bei Tests auf SARS COV-2 angewandt. |
1986 | Oliver Smithies an der University of Wisconsin gelingt der erste erfolgreiche Gentransfer bei einem Menschen mit Sichelzell-Anämie |
1988 | Philip Leder und Timothy Stewart erhalten das erste Patent für ein genetisch verändertes Tier – die „Harvard-Krebsmaus“. |
1990 | das „Human Genome Project“, um das menschliche Genom zu entschlüsseln, wird gestartet |
1994 | Das erste gentechnisch veränderte Nahrungsmittel, eine Tomate, wird in den USA zugelassen. |
1996 | Im Juli 1996 klonen Ian Wilmut und Keith Campbell das Schaf „Dolly“ |
1998 | zwei Forscherteams züchten erfolgreich embryonale Stammzellen
Das komplette Genom des Wurms „C. elegans“ wird etschlüsselt. Es gelingt menschliche pluripotente Stammzellen dauerhaft in Gewebekultur zu halten |
2003 | Das menschliche Genom gilt als entschlüsselt, enthält aber statt wie ursprünglich angenommen 20.000-25.000 Gene vermutlich nur 18.000-19.000 Gene. |
2006 | Der der Japaner Shinya Yamanaka erzeugte erstmals iPS-Zellen (induzierte Pluripotete Stammzellen), er programmierte also adulte Zellen zu pluripotetenten Stammzellen um. Shinya Yamanaka erhielt dafür 2012 den Nobelpreis. |
2012 | Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna veröffentlichten die erste wissenschaftliche Dokumentation zur Entwicklung und Einsatz von CRISPR/Cas9. Die wissenschaftliche Grundlage zur Entwicklung dieser neuen und genauen Gentechnik-Methode beruht auf der Entdeckung und Erforschung der CRISPR-Sequenzen und des damit verbundenen CRISPR/Cas-Systems im Immunsystem verschiedener Bakterien. |
2018 | Der chinesische Forscher He Jiankui behauptet, er habe menschliche Embryonen mit Hilfe von CRISPR/Cas manipuliert. Er erntete in der Fachwelt heftige Kritik, mit einer unzureichend erforschten Methode das Leben von Kindern zu gefährden. |
Quellen:
https://www.dw.com/de/chinesische-crispr-cas9-babys-haben-höheres-sterberisiko/a-49020546
https://www.wissensschau.de/stammzellen/ips_zellen.php
https://www.welt.de/print-welt/article520177/Die-Geschichte-der-Gentechnik.html
Grundlagen der Gentechnik
Unter dem Begriff „Gentechnik“ versteht man die gezielte genetische Veränderung von Organismen. Diese Gentechnik findet Anwendung bei der Herstellung von Lebewesen, die Fremd-DNA enthalten, wie z.B. Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren.
Die Gentechnik wird als ein Teil der Biotechnologie bezeichnet welche theoretische Grundlagen sowie praktische Methoden aufweist, um gezielt Veränderungen und Übertragungen von Erbmaterial zu machen. Das Erbgut wird durch besondere Techniken in Organismen eingebracht und danach neu kombiniert.
Für diese Techniken benötigt man Enzyme wie Restriktionsenzyme (=“Genscheren“); diese Genscheren können DNA an ganz bestimmten Stellen „schneiden“, indem sie die Verknüpfungen zwischen bestimmten Basenpaaren lösen. Nachdem das Fremdgen eingefügt wurde, muss die Stelle an der richtigen Stelle wieder „verklebt“ werden. Eine Ligase verknüpft die Basenpaare wieder.
Man könnte auch Fremd DNA in eine „leere“ Virushülle einbringen und der Virus dring in die Zelle und erlegt den Einbau des Fremdgens in die DNA, diese Technik ist aber sehr ungenau, kann dennoch in der Gen-Therapie von Nutzen sein.
Wie funktioniert nun so ein Gentransfer, etwa wenn man Bakterien (z.B. Ecoli Bakterien dazu bringen möchte, Insulin herzustellen?
- Man muss herausfinden, wo sich das gewünschte Gen überhaupt befindet. man benötigt also eine menschliche Zelle und lokalisiert jenes Gen, welches für die Herstellung von Insulin verantwortlich ist. Das gesuchte Gen befindet sich am kurzen Arm des Chromosom 11.
- Nun muss mit Restriktionsenzymen das Gen herausgeschnitten werden
- Einem Bakterium wird sein Plasmid (=extrachromosomale DNA, also zusätzliche DNA, außerhalb des ringförmigen Bakterienchromosoms) entnommen, mittels Restriktionsenzymen aufgeschnitten, das gewünschte Gen (hier das Insulin-Gen) wird eingefügt und mittels Ligasen verklebt
- Nun besitzt das tranigen Bakterium die Fähigkeit Insulin zu produzieren.
- Nachdem genug insulin produziert wurde, müssen die Bakterien nur noch abgetötet und das Insulin geeinigt werden.
Transgene sind Organismen, deren Erbmaterial genetisch beeinflusst wurde. Pflanzen sowie Tierzüchtungen werden durch die Möglichkeiten der Gentechnik beeinflusst.
Gentechnik wird auch in der Forensik eingesetzt: Mit Hilfe von Gentechnik kann man kleinste Spuren am Tatort (Hautfetzen, Blutspritzer, Speichelreste an Zigaretten) auswerten und einen genetischen Fingerabdruck erstellen, der dann einem Verdächtigen zugewiesen werden kann. Ähnlich funktioniert heute ein Vaterschaftsnachweis.
Ziele der Gentechnik
Ziele der Gentechnik:
- Verbesserung des Saatgutes
- Einsatz von genetisch veränderten Mikroorganismen in der Lebensmittelherstellung u. Produktion von Medikamenten für Mensch und Tier
Durch die Gentechnik konnte das Humaninsulin in Bakterien eingebracht und industriell (nach Maßstab) hergestellt werden. Vitamine und Impfstoffe wie zum Beispiel für Hepatitis werden heute durch diese Technik hergestellt.
In der Landwirtschaft werden durch die Gentechnik nicht nur krankheitsresistente Pflanzen geschaffen, oft werden auch Residenzen gegen Herbizide eingebaut. Die Folge davon sind massive Pestizideinsätze mit of sehr negativen gesundheitlichen Auswirkungen auf Anrainer (Schädigung ungeborener Kinder) oder der Konsument/innen. Auch ist viel zu wenig über negative Auswirkungen gentechnisch veränderter Nahrung bekannt (mögliche Allergien auf neue Eiweiße usw.).
Einige Nobelpreisträger plädieren für die Gentechnik in der Landwirtschaft, weil sie der Meinung sind, dass mit gentechnisch verändertem, mit den Vitaminen ACE angereicherter Reis das Welthungerproblem lösen könnte.
Anhand des Einsatzgebietes der Gentechnik unterscheidet man zwischen
Grüner Gentechnik (Landwirtschaft)
Roter Gentechnik (Medizin) und
Weißer Gentechnik (Industrielle Anwendungen wie Geschmackstoffe, Enzyme in Waschmitteln,…)
Eine Besonderheit stellt das sogenannte „Genpharming“ dar: gentechnisch veränderte Nutztiere für therapeutische Zwecke.
Vor- und Nachteile der Gentechnik
Vorteile | Nachteile |
günstige Herstellung von Medikamenten
Leistungssteigerung in der Landwirtschaft
|
Massiver Einsatz von Pestiziden (Gesundheitliche Schäden für Mensch und Tier, Umweltschäden)
mögliche Allergien aufgrund neuer Eiweiße ethische Grundfrage: massiver Eingriff in den Bauplan von Lebewesen Verunreinigung vonWildpflanzen mit gentechnisch verändertem Saatgut (ökologisch unabsehbare Folgen) |
Genetischer Fingerabdruck und PCR
Die Gene aller Menschen sind zu 99,9% ident. Sogar mit einer Maus teilen wir uns etwa 80% unserer Gene, mit einer Bäckerhefe 30% und fast die Hälfte aller Gene teilen wir mit der Banane. 98,5-99,4% unserer Gene (je nach Quelle) teilen wir uns mit unseren nächsten Verwandten, den Schimpansen. Es ist naheliegend, dass codierende DNA, also Gene, nicht für genetische Verfahren wie den „genetischen Fingerabdruck“ geeignet sein können, wenn diese bei allen Menschen bis auf den winzigen Unterschied von 0,1% fast gleich sind.
Von den 3 Mrd. Basen unserer DNA codieren allerdings nur ca.3% für Eiweiße. Die restlichen 97% sind nicht codierende DNA. Diese nicht codierende DNA besteht teilweise aus langen Stücken mit sich immer wieder wiederholenden Sequenzen. Diese Sequenzen lauten z.B. ATATAT… oder TACTAC… Die Anzahl der Wiederholungen ist von Mensch zu Mensch individuell und variabel. Man weiß noch nicht genau, welchen biologischen Sinn diese Abschnitte haben oder ob sie quasi „biologischer“ Müll“ sind, der von Generation zu Generation weitergegeben wird. Allerdings sind manche dieser DNA Abschnitte bei jedem Menschen unterschiedlich lang.
Der genetische Fingerabdruck
Der genetische Fingerabdruck ist ein Verfahren, welches der Engländer Alec Jeffreys 1984 entwickelte. Dafür vergleicht man mehrere repititive (also sich immer wieder wiederholender) Basenabschnitte miteinander. Deren von Mensch zu Mensch unterschiedliche Länge ergibt dann einen sehr persönlichen genetischen Fingerabdruck, den sehr wahrscheinlich kein zweiter Mensch auf der Welt hat. Derzeit werden das Verfahren 8-15 solcher Basenpaare herangezogen, damit das Verfahren aussagekräftig genug ist und vor Gericht als Beweis herangezogen werden kann.
Solche Abschnitte sind VNTR-Loci (Variable Number of Tandem Repeats) oder STR-Gene („Short-Tandem-Repeat-Gene“), die aus Wiederholungen derselben kurzen Basensequenz (z.B. ACTG) bestehen.
Einsatzgebiete des genetischen Fingerabdrucks sind:
- Vaterschaftstest
- Verwandtschaftsbestimmung (Evolution- so fand man z.B. mithilfe genetischer Tests heraus, dass die nächste Verwandten der Flusspferde Wale sind, obwohl man Flusspferde traditionell in die Ordnung der Paarhufer einordnet)
- Herkunft von Lebensmitteln
- Transplantationsmedizin (Finden passender Spenderorgane)
- Aufklärung von Straftaten (Blutspuren, Spermaspuren, Hautschuppen)
Vorgehensweise:
- Isolierung der DNA aus gefundenem Material: mit Hilfe von Restriktionsenzymen („Genscheren“) werden die benötigten DNA Fragmente aus der gefundenen DNA (z.B. Blutspuren von einem Tatort) rausgeschnitten
- Vervielfältigung der gewünschten DNA Abschnitte durch PCR (polymerase chain reaktion = Polymerase- Kettenreaktion): Da die DNA Stücke sehr klein sind, benötigt man viele tausend Stücke pro Bande, damit sie sichtbar werden.
- Gelelektrophorese: Die gewonnenen DNA-Fragmente werden auf Agarosegel aufgebracht, Strom angelegt. Die DNA ist negativ geladen, somit wandern die DNA- Stücke zum Pluspol. Kürzere DNA Stücke wandern schneller, längere wandern langsamer, so kommt es zu einer Auftrennung der unterschiedlich langen DNA Fragmente, ähnlich wie einer Chromatographie.
- Sichtbarmachung: Mit Hilfe radioaktiv markierter Gensonden (komplementäre Basenfolge zu einem bekannten Teil der DNA) oder fluoreszierende Farbstoffe können DNA Banden sichtbar gemacht werden.
PCR-Methode
Die PCR Methode wurde 1983 durch den US-amerikanischen Biochemiker Kary Mullis entwickelt. 1993 wurde ihm dafür der Nobelpreis für Chemie verliehen.
Bei der PCR- Methode werden kleinste DNA Fragmente einer DNA Spur (Blut, Sperma, Hautfetzen, Hautschuppen, …) vervielfältigt.
Haare sind Anhangagebilde der Haut. Aus Haaren kann man zwar das Alter von Opfern abschätzen und auch eventueller Drogenkonsum wird in den Haaren „gespeichert. Für genetische Tests sind Haare nur geeignet, wenn sich die Haarwurzel (mit Zellen) am Haar befindet.
Bei der PCR Methode wird die zu vervielfältigende DNA aus der Spur oder Probe mit freien Nukleotiden, DNA-Polymerasen und speziellen Primern zusammengebracht. Ein Primer ist ein kurzes Nukleotid, welches als Startpunkt für die DNA kopierenden Enzyme, wie die DNA-Polymerase, dient.
bei der Polymerase-Kettenreaktion werden nur zuvor festgelegte Teilabschnitte der DNA vervielfältigt (VNTR-Loci oder STR-Gene) vervielfältigt. Diese Teilabschnitte kann man sehr präzise durch künstlich synthethisierte Primer festlegen.
Denaturierung: Die DNA wird auf ca. 90°C erhitzt, so brechen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen auf. Damit wird die DNA in ihre Einzelstränge aufgetrennt.
Hybridisierung: Bei ca. 60°C lagern sich die spezifischen Primer an die 3′ Enden der DNA Einzelstränge an. Es gilt das Prinzip der Komplementarität: Die Primer können sich gemäß ihrer Basen nur an ein komplementäres Gegenstück (Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin) anlagern.
Polymerisation: Die Temperatur wird auf ungefähr 70°C erhöht. DNA-Polymerasen beginnen an den Primern von 3′ nach 5′ mit der Anlagerung von komplementären Basen (Elongation). Am Ende sind aus zwei DNA-Einzelsträngen, zwei DNA-Doppelstränge entstanden.
Nun findet eine Wiederholung dieser drei Schritte vor. Die PCR läuft insgesamt in 30-50 Zyklen ab. Jeder Zyklus unterteilt sich in Denaturierung, Hybridisierung und Polymerisation.
In sogenannten Thermocyclern erfolgt die Abfolge von Erhitzen (Denaturierung), Abkühlung (Hybridisierung) und erneutem Erhitzen (Polymerisation) ganz automatisch.
Text und Bild Klonen: Zemen Carina, 5HIA, HLMW9, 2018, andere Texte: Silke Geroldinger, 2018
Teste Dein Wissen über Klonen und Gentechnik:
Genetischer Fingerabdruck und PCR
Teste Dein Wissen über den genetischen Fingerabdruck und über die PCR Methode