DNA Analyse - Dem Leben auf der Spur - Gentechniken
DNA-Isolation. DNA Analysen beginnen immer mit der Isolierung des Erbmaterials aus den Zellen. · PCR · Elektrophorese · Sequenzanalyse · Fragmentlängenanalyse.
Was ist Gentechnik
Eine Vielzahl molekularbiologischer Verfahren befasst sich mit Untersuchungen des Erbguts, der DNA (engl. deoxyribonucleic acid). Ihr gemeinsames Ziel ist die Aufdeckung von bestimmten Merkmalen oder von Abweichungen in der DNA-Sequenz eines Organismus (Link: <anchor>Was ist Gentechnik</anchor>). Die Nukleinsäureanalytik basiert im Wesentlichen auf zwei Prinzipien: Sequenzanalyse und Fragmentlängenanalyse. Auch die als „Gentest“ bezeichneten Vaterschafts- und Verwandtschaftsanalysen gehören zu den Methoden der DNA Analyse.
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Gentechnik - die Farben der Gentechnik

# Was ist Gentechnik und welche Gentechniken gibt es

Die Frage „ Was ist Gentechnik“ wird wohl in Zukunft immer wichtiger. Der Begriff Gentechnik bezeichnet verschiedene Methoden zur gezielten, künstlich herbeigeführten Veränderung der DNA (engl. deoxyribonucleic acid) eines Organismus. Als Träger der Erbinformation bestimmt die DNA grundlegend Stoffwechsel, Lebensweise, Aussehen und Verhalten eines Lebewesens. Typische gentechnische Eingriffe sind das Einfügen von arteigenen oder artfremden Genen, das Ausschalten von Genen oder Modifikationen der Gen-Regulation. Molekulargenetische Veränderungen können an Pflanzen, Tieren, Pilzen und Mikroorganismen durchgeführt werden und dienen unterschiedlichen Zwecken. Bekannte Anwendungsgebiete sind vor allem die Pflanzenzüchtung sowie die Humanmedizin.

Die Erzeugung eines gentechnisch veränderten Organismus (GVO) sowie alle damit zusammenhängenden Arbeitsprozesse wie Lagerung, Zerstörung und Entsorgung der Konstrukte unterliegen strengen Sicherheitsprotokollen. Mit GVO darf nur in angezeigten, geschlossenen Anlagen (e.g. Laboratorien, Produktionsanlagen, Gewächshäusern) und nach vorhergehender Genehmigung gearbeitet werden. Zulassung und Aufsicht obliegen den jeweiligen Landesbehörden. Vorschriften zum Umgang und zur Inverkehrbringung von GVO sind durch das Gentechnikgesetz (GenTG) von 1990 und der zugehörigen Sicherheitsverordnung gegeben.

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## 1. Wie funktioniert Gentechnik?

Die Erbinformationen eines Lebewesens sind in den Chromosomen gespeichert, die sich aus sogenannten Nukleotiden zusammensetzen. In der Abfolge dieser Moleküle, der DNA- oder Nukleotidsequenz, liegt die Individualität des Organismus verborgen. Gene bestehen aus einem oder mehreren Teilbereichen der Chromosomen und besitzen spezifische Nukleotidmuster. Die Aktivierung eines Gens bewirkt die Synthese von Proteinmolekülen, die der Organismus für vielfältige Aufgaben benötigt. Proteine dienen häufig als Enzyme in Auf- und Abbauvorgängen von Körperbausteinen oder als Erkennungsrezeptoren in Prozessen wie der Immunabwehr. Ob beispielsweise eine Pflanze gelbe oder weiße Blüten trägt, ob sie Giftstoffe produziert oder nicht, kann auf kleinen Veränderungen in der Nukleotidsequenz basieren.

Die Regulation von Genen ist komplex; wann welches Gen aktiviert wird, wie viele Kopien des Gens erstellt werden und wie die Produktion wieder gestoppt wird, all das ist von vielen Faktoren abhängig. An diesen Schaltstellen setzt die Gentechnologie an. Natürliche Enzyme werden genutzt, um DNA zu zerteilen und wieder zu verbinden, zu duplizieren oder zu markieren. Zusammengefügte DNA-Fragmente verschiedener Ursprungsorganismen bezeichnet man als rekombinante DNA. Sobald diese erfolgreich in lebende Zellen übertragen wird (Transformation), entsteht ein neuer, artifizieller Organismus mit veränderten Eigenschaften oder Merkmalen (Mutante).

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## 2. Gentechniken in der Landwirtschaft

In der Landwirtschaft werden Gentechniken für den Anbau und die Züchtung von Nutzpflanzen eingesetzt. Biotechnologisch erzeugte Sorten sollen höhere Erträge bringen, unter schwierigen Kulturbedingungen gedeihen oder durch Schädlings- und Krankheitsresistenzen den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln reduzieren.

Sojabohnen, Mais, Raps, Baumwolle und Zuckerrüben sind die weltweit hauptsächlich produzierten GVO für die landwirtschaftliche Nutzung. Verwendung finden diese Pflanzen beispielsweise als Futtermittel für Nutztiere oder als Rohstoffe für die Lebensmittel- und Bekleidungsindustrie. Sie werden vor allem in Nord- und Südamerika (Kanada, USA, Argentinien, Brasilien) sowie in Indien und China angebaut. 2014 stammten 82 % der weltweiten Soja-Produktion und 30 % der weltweiten Mais-Produktion von GV-Pflanzen.

In der EU besitzen lediglich zwei GVO-Sorten eine Zulassung für den kommerziellen Nutzen: der sogenannte Bt-Mais MON 810 und die zur Stärkegewinnung vorgesehene Kartoffel Amflora. Einzelne Staaten wie Deutschland können allerdings nationale Anbauverbote aussprechen, so dass in Deutschland seit 2012 keine gentechnisch veränderten Pflanzen zu kommerziellen Zwecken mehr angebaut werden.

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## 3. Gentechnik in Lebensmitteln

In Deutschland sind Lebensmittel, die GVO oder Produkte auf GVO-Basis enthalten ab einem Gehalt von 0,9 % kennzeichnungspflichtig. Dies gilt nur für Sorten, die eine gültige Zulassung der EU für die Verwendung in Lebensmitteln besitzen. Für alle anderen, nicht in der EU zugelassenen GVO gilt eine Nulltoleranzgrenze, bereits geringste Spuren und Verunreinigungen in Lebensmitteln sind verboten. Aktuell besitzen etwa 50 gentechnisch modifizierte Pflanzensorten eine solche EU-Zulassung, dies sind hauptsächlich Baumwolle, Mais, Raps und Soja (Stand 2014; Quelle: www.bvl.bund.de).

Kennzeichnungspflichtige GV-Lebensmittel können dem Verbraucher in verschiedenen Formen begegnen: als verzehrfertiges Lebensmittel (z.B. Maiskolben), als Lebensmittel, das aus GVO hergestellt wird (z.B. Rapsöl, Tofu), als Zutat oder Zusatzstoff in Fertigprodukten (z.B. Frittierfett, Glukosesirup, Maisstärke). Da die Deutschen der Gentechnik ablehnend gegenüber stehen, bietet der Handel so gut wie keine derartigen Lebensmittel – umgangssprachlich auch als Genfood bezeichnet – an.

Anders verhält sich die Lage bei Produkten, in deren Herstellungsprozess GVO verwendet wurden. Solche Waren sind nicht kennzeichnungspflichtig. Dies können technische Hilfsstoffe wie Enzyme, Aromen und andere Zusatzstoffe sein, die üblicherweise aus gentechnisch modifizierten Bakterienkulturen gewonnen werden. Auch ob tierische Erzeugnisse wie Eier, Fleisch oder Milch von Tieren stammen, die mit Futtermitteln aus GV-Pflanzen ernährt wurden, ist nicht erkennbar. Um für den Verbraucher hier mehr Transparenz zu schaffen, können Hersteller das geschützte Siegel „Ohne Gentechnik“ verwenden, wenn auch während des Herstellungsprozesses keine GVO verwendet wurden.

Interessierte Verbraucher können sich auf folgenden Seiten informieren:

- BVL – Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit ( Link)
- Verbraucherschutz Sachsen: PDF Merkblatt GVO

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## 4. Farbenlehre der Gentechnik: Die Gentechniken

Die Gentechnologie ist unterteilt in folgende Anwendungsgebiete:

- Grüne Gentechnik – Pflanzenzüchtung (Nutz- und Zierpflanzen) -> Artikel zu Grüne Gentechnik
- Rote Gentechnik – Medizin, Pharmazie (Mikroorganismen zur Produktion von Arzneimittelwirkstoffen, Impfstoffen; außerdem Gentherapie) -> Artikel zu Rote Gentechnik
- Weiße Gentechnik – Industrie (Mikroorganismen zur Produktion von Enzymen, Chemikalien, Bioenergieträgern u.a.) -> Artikel zur Weißen Gentechnik
- Graue Gentechnik – Umwelttechnik (Mikroorganismen zur Abfallbeseitigung, Trinkwasseraufbereitung, Dekontamination) -> Artikel zur Grauen Gentechnik
- Blaue Gentechnik – Forschung an Mikroorganismen der Tiefsee (Potenzial zur Identifizierung neuartiger Stoffwechselkomponenten) -> Artikel zur Blauen Gentechnik

Gentechnik und LebensmittelGentechnik und Lebensmittel

## 5. Methoden der Gentechnik

DNA besteht aus zwei zueinander passenden Strängen von Nukleotidsequenzen. Während der Kernteilung oder der Proteinsynthese wird dieser Doppelstrang aufgebrochen und von spezialisierten Enzymkomplexen abgelesen, repariert oder dupliziert. Viele verschiedene Enzyme sind an derartigen Prozessen beteiligt; sie bilden das Handwerkzeug des Molekulargenetikers.

- Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Mit Hilfe dieser Methode werden die interessierenden Teilbereiche (Fragmente) der DNA vervielfältigt, damit sie in ausreichender Menge für weitere Untersuchungen zur Verfügung stehen. Sogenannte Primer, kurze Nukleotidstücke, heften sich beidseitig neben dem gesuchten Teilstück an den geöffneten DNA-Strang. Das Enzym Polymerase bewirkt nun die Herstellung zahlreicher identischer Kopien dieses DNA-Bereichs. Im Anschluss an die PCR ermöglicht eine gelelektrophoretische Auftrennung der PCR-Produkte die Identifizierung und Isolierung des gewünschten Fragments.
- DNA-Sequenzierung: Die gängige Methode zur Ermittlung der DNA-Sequenz ist das Kettenabbruchverfahren, das bezüglich des Reaktionsverlaufs einer PCR ähnelt. Auch hier werden Primer und Polymerasen eingesetzt, um ein DNA-Teilstück zu vervielfältigen (amplifizieren). Als Bausteine für die Neusynthese werden dem Enzym spezielle, mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierte Nukleotide angeboten. Der Einbau eines solchen Nukleotids stoppt die Synthese; das Produkt dieser Reaktion ist ein Gemisch aus fluoreszierenden DNA-Fragmenten jeder möglichen Kettenlänge. In Sequenzierautomaten werden diese ihrer Größe nach aufgetrennt und laseroptisch bestimmt. Die Abfolge der Farbstoffe entspricht der gesuchten Nukleotidsequenz.
- Klonierung: Auch die Klonierung dient der gezielten Vermehrung von DNA-Teilstücken. Hierzu werden die ringförmigen DNA-Moleküle von Bakterien (Plasmide) genutzt. Es gibt zahlreiche, für den Laborgebrauch optimierte Plasmide. Diese verfügen über die Eigenschaft, fremde DNA aufnehmen und vervielfältigen zu können sowie über eine Reihe nützlicher Nachweisgene und regulatorischer Einheiten. Verschiedene Enzyme werden eingesetzt, um ein Plasmid aufzuschneiden und die Fremd-DNA mit der Bakterien-DNA zu verbinden. Anschließend wird das Plasmid in lebende Bakterienzellen eingebracht (Transformation). Unter optimierten Bedingungen vermehren sich die Zellen und mit ihnen das eingefügte DNA-Fragment rasch. Anschließend können die Zellen geerntet und die Plasmide isoliert werden.
- Microarrays: DNA-Chips: Diese automatisierte Nachweismethode dient der Identifizierung von Mutationen oder zur Bestimmung der Genaktivität. DNA-Chips werden unter anderem in der Diagnostik von Erbkrankheiten oder in der Krebsforschung eingesetzt. Auf speziellen Trägermaterialien werden punktförmig winzige Mengen DNA aufgebracht und mit markierten Reagenzien untersucht. Tausende von Proben können so auf kleinster Fläche untergebracht und gleichzeitig analysiert werden. Der Nachweis erfolgt durch Hybridisierung, die Verbindung zweier Nukleotid-Stränge zu einem passgenauen Doppelstrang. Das Vorliegen von genetischen Veränderungen (Mutationen) zerstört diese Passform und resultiert in definierten Farbreaktionen.
- Transgene Pflanzen: Gentechnisch modifizierte Pflanzen sollen das Spektrum der herkömmlichen Züchtungsmethoden erweitern. Gene können ganz gezielt in das Erbgut einer Pflanze eingebracht werden. Eine gängige Vorgehensweise ist hierbei die Herstellung von Rekombinanten aus bakterieller und fremder – auch nicht-pflanzlicher – DNA durch Klonierung. Nach der Transformation einer Pflanze oder Pflanzenzelle können aus den modifizierten Zellen durch Gewebekultur oder durch Aussaat vollständige Pflanzen herangezogen werden. Diese tragen nun in allen Zellkernen das fremde Gen (Transgen) und weisen die gewünschten Eigenschaften auf. Die eingefügten Gene produzieren zumeist Enzyme, die der Pflanze Resistenzen gegen Herbizide oder Krankheiten verleihen. Toxine wie z.B. im Bt-Mais sollen Schädlinge abtöten, verschiedene andere Gene können den Nährstoffgehalt und die Wuchsleistung von Nutzpflanzen steigern.
- Gen-Knockout: Auch durch das gezielte Ausschalten (Knockout) von vorhandenen Genen entstehen GVO. Üblicherweise dienen solche Mutanten zu Forschungszwecken, um zu untersuchen, welche biochemischen Veränderungen das Fehlen eines Gens verursacht. Bekannte Gene können durch verschiedene Mittel, zum Beispiel enzymatisch, inaktiviert werden. Nach dem Einschleusen der modifizierten Sequenz in eine geeignete Zelle, sorgt der zelleigene Reparaturmechanismus für den Einbau des defekten Genabschnitts. Wird aus solchen Zellen ein Lebewesen herangezogen, trägt dieses in allen Zellen den Gendefekt und vererbt ihn an die Folgegenerationen weiter. Die medizinische Forschung benutzt vielfach Zuchtlinien von Knockout-Mäusen, um die Entwicklung von Erbkrankheiten oder Krebs zu verstehen und neue Therapien zu erproben, und auch in der Pflanzenforschung wird diese Methode verwendet.
- Genome Editing: CRISPR/Cas9: Das als „Genschere“ bezeichnete Verfahren CRISPR/Cas9 wurde 2012 erstmalig beschrieben und erhält seitdem viel Beachtung. Bestimmte Abschnitte von Bakterien-DNA (CRISPR) bilden einzelsträngige Sonden, die passende DNA-Bereiche aufspüren und binden. Das zugehörige Enzym Cas9 zerschneidet nun den angehefteten DNA-Strang an einer festgelegten Stelle. Im Bakterium fungiert dieses System als eine Art Immunabwehr und dient der Zerstörung eindringender DNA von Krankheitserregern. Die Zelle versucht nun, den Bruch zu reparieren. Hierfür kann ihr als Vorlage der Nukleotid-Einzelstrang eines veränderten oder fremden Gens angeboten werden (homologe Rekombination), welches daraufhin als Transgen in das eigene Genom integriert wird. Sondensequenzen sind beliebig und einfach herzustellen; in Verbindung mit der Genschere Cas9, erhalten die Forscher ein nahezu universell einsetzbares Werkzeug, um in den Genomen aller Arten von Lebewesen punktuelle Eingriffe durchzuführen (Genchirurgie).

## 6. Gentechnik Pro und Kontra

Die Akzeptanz der Gentechniken ist groß, wenn es um den medizinischen oder industriellen Nutzen geht. Biotechnologische Eingriffe an Pflanzen oder Tieren dagegen werden oftmals abgelehnt und negativ als Genmanipulation gewertet. Wie kommt es zu dieser scheinbar widersprüchlichen Beurteilung? Ein grundlegender Unterschied besteht darin, dass Erstere in geschlossenen Anlagen genutzt werden und Letztere in die Umwelt entlassen werden. Da für die Freisetzung bislang fast ausschließlich Pflanzen zugelassen sind, bezieht sich die Diskussion um das Pro und Kontra größtenteils auf die Grüne Gentechnik.

Pro:

Nutzpflanzen

- Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Schädlinge und Krankheiten
- Ermöglichung des Wachstums auf schlechten Böden (trockene, salz- oder schwermetallhaltige Böden)
- Anpassung der Nährstoffproduktion (z.B. Steigerung von Vitamin- oder Mineralstoffgehalt, Reduktion von Allergenen)
- Reduktion des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln durch Herbizidresistenzen
- Verbesserung der Lagerungs- und Transporteigenschaften von Früchten
- Einsatz von transgenen Bäumen zur Bodensanierung
- Schonung natürlicher Ressourcen durch angepasste Rohstoffproduktion (z.B. Verbesserung der Holzqualität zwecks Zellulosegewinnung)

Nicht-pflanzliche Verfahren

- GV-Mikroorganismen liefern reine, standardisierte Arzneistoffe in beliebiger Menge, dadurch Unabhängigkeit von natürlichen Rohstoffen (z.B. Insulin)
- Gentherapeutika können durch Beseitigung defekter Gene Erbkrankheiten, Stoffwechsel- und Immunstörungen behandelbar machen

Kontra:

Kritikpunkte der Pflanzen-Gentechnologie zielen vorwiegend auf die Unkontrollierbarkeit der GVO ab. Einmal in die Umwelt entlassen, könnten Transgene sich unbeabsichtigt und mit unabsehbaren Folgen ihren Weg in verschiedene Lebensbereiche des Menschen bahnen:

- Übertragung von Transgenen auf andere Pflanzen (konventionell angebaute Nutzpflanzen, Wildpflanzen, Unkräuter)
- Entstehung von Superunkräutern, die einen erhöhten Herbizideinsatz erfordern
- Entstehung von resistenten Schädlingen
- Schädigung von Nützlingen und Nicht-Zielorganismen
- Einwanderung von GVO in natürliche Lebensräume
- Gefährdung der Koexistenz verschiedener Landwirtschaftsformen (GVO, konventionell, Bio), Wahlfreiheit der Verbraucher eingeschränkt
- Verdrängung traditioneller Pflanzensorten reduziert die genetische Vielfalt
- ungewollte Toxizität der Transgene oder Transgen-Produkte
- Abhängigkeit von Saatgut-Monopolisten und Patentansprüchen auf Nahrungsmittel

Ähnliche Überlegungen dürften für die Freisetzung tierischer GVO gelten, die gerade erst in den öffentlichen Fokus rücken (z.B. GV-Mücken zur Bekämpfung von Dengue-Fieber oder Zika) sowie für Mikroorganismen, die zur Beseitigung von Umweltproblemen dienen sollen. Bei gentechnisch modifizierten Tieren spielen außerdem ethische Bedenken eine Rolle. Weiterführende Informationen erhalten Sie im Artikel: Gentechnik Pro und Contra

## Was ist Gentechnik – Fazit

Die Gentechnologie ist eine zukunftsweisende Technik, denn ihre Möglichkeiten sind ausgesprochen vielfältig und nutzbringend. Je besser und präziser die Methoden werden, desto mehr verschwimmen die Grenzen zwischen gentechnischer Modifikation im Sinne des Gentechnikgesetzes und solchen Veränderungen, die auch auf natürliche Weise oder durch Züchtung entstehen könnten. Die aktuelle Diskussion beschäftigt sich mit der Frage, ob Organismen, die durch Genome Editing verändert wurden, überhaupt als GVO einzustufen sind und den bislang gültigen Beschränkungen unterworfen werden sollten.

Aber selbst, wenn die vielversprechenden Visionen der Gentechnologie zutreffen, bleibt ein gewichtiger Unsicherheitsfaktor immer bestehen: die Flexibilität und Veränderlichkeit aller lebenden Organismen. Das Erbgut steht beständig auf dem Prüfstand. Mutationen, spontan und ungerichtet, sind das Alltagsgeschäft der Evolution. Genomische Elemente werden im Rahmen ganz natürlicher Regulationsmechanismen ausgeschaltet, umgeordnet, zerstückelt oder verlagert. All diese Vorgänge gewährleisten die stetige Anpassung an eine veränderbare Umwelt und sie finden gleichermaßen auch in transgenen Organismen statt. Eine kritische Auseinandersetzung und konstruktive Diskussion bleibt daher wichtig und sollte die Entwicklung neuartigen Technologien begleiten.

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