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

Das Verfahren des Klonens kann heutzutage dazu verwendet werden, vom Aussterben bedrohte Lebewesen zu bewahren.  Oder in der nahen Zukunft, Organe oder Zellen des Menschen klonen,  um somit einem kranken Menschen ein gesundes Organ transplantieren.
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

Grundlagen der Gentechnik

Grundlage 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?

  1. 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.
  2. Nun muss mit Restriktionsenzymen das Gen herausgeschnitten werden
  3. 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
  4. Nun besitzt das tranigen Bakterium die Fähigkeit Insulin zu produzieren.
  5. 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 DNA ist aus ca. 3.000000000 Basen aufgebaut. Wichtigster Teil der DNA sind die Gene, welche für wichtige Eiweißstoffe wie Enzyme, Zellbausteine usw. codieren.

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:

  1. 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

 

  1. 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.

 

  1. 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.

 

  1. 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.

http://sciencev1.orf.at/news/58931.html

http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/genvergleich-schimpanse-und-mensch-fast-identisch-a-372341.html

https://www.morgenpost.de/kultur/berlin-kultur/article115517396/Erbgut-der-Mensch-ist-zur-Haelfte-eine-Banane.html

Carina Zemen, 5HIA, HLMW9, 2018

Carina Zemen, 5HIA, HLMW9, 2018

Text und Bild Klonen: Zemen Carina, 5HIA, HLMW9, 2018, andere Texte: Silke Geroldinger, 2018

 

Teste Dein Wissen über Klonen und Gentechnik:

1. Welchen Sinn hat therapeutisches Klonen?

 
 
 

2. Was ist ein Plasmid?

 
 
 
 

3. Was ist weiße Gentechnik?

 
 
 
 

4. Was benötigt man um Bakterien gentechnisch zu verändern?

 
 
 
 
 
 

5. Ein Ziel der Grünen Gentechnik ist…

 
 
 
 

6. Einem schwarzen, männlichen Schaf wird eine Hautzelle entnommen. Diese Hautzelle wird entkernt und der Zellkern wird in eine entkernte Eizelle eines weiblichen, ebenfalls schwarzen Schafs transferiert. Nach elektrischer oder chemischer Simulation verhält sich die Eizelle wie eine befruchtete Eizelle und beginnt sich zu teilen.

Der Embryo wird in die Gebärmutter eines weißen Schafes eingesetzt. Nach 5 Monaten bring das weiße Schaf ein kleines Lämmchen zur Welt. Das kleine Lämmchen ist…

 
 
 
 

7. Was versteht man unter Klonen?

 
 
 
 

8. Was ist Gentechnik?

 
 
 
 

9. Ein Verdienst der Roten Gentechnik ist

 
 
 
 

10. Was sind Restriktionsenzyme?

 
 
 
 

Question 1 of 10

Genetischer Fingerabdruck und PCR

Teste Dein Wissen über den genetischen Fingerabdruck und über die PCR Methode