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GENETIK

Einführung in die Gentechnik
(eine Matura-Fachbereichsarbeit)

Schülerprojekt über Gentechnik (HBLA Ursprung, Elixhausen, Salzburg)

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(1) Historischer Rückblick

Der Augustinerpater Johann Gregor Mendel (1822 - 1884) war der Entdecker der grundlegen­den Gesetze der Genetik. Nach Kreuzungsversuchen an Erbsen definierte er in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts die Gene als "Elemente", die von den Eltern auf die Nachkommen nach bestimmten Regeln (Mendelsche Ge­setze) vererbt werden.

Im Jahre 1900 wurden die Mendelschen Erbgesetze vom Österreicher Erich Tschermak von Seysenegg, vom Deutschen Karl E. Correns und vom Holländer Hugo de Vries unabhängig voneinander neu entdeckt.

Der Biologe und Forscher Charles Darwin (1809 - 1889) begründete 1859 die Se­lektions- und Evolutionstheorie.

1860 entdeckte der Schweizer Chemiker Friedrich Miescher (1844 - 1895) in seinem Tübinger Labor in den Spermien von Rheinforellen ein Riesenmolekül, dessen chemische Zusammensetzung er als "phosphorhaltige Säure" beschrieb. (Sie wurde später als Desoxyribonukleinsäure, DNA. bezeichnet).

Der deutsche Zellforscher Walter Fleming (1843 - 1905) stieß ca. 1871 auf fadenähnliche Gebilde im Zellkern. Er gab ihnen den Namen "Chromosomen".

Walter Sutton (1876 - 1916), ein Amerikaner, erkannte einige Jahre später, dass sich " Flemings Chromosomen " bei Zellteilung genauso verhielten, wie die Mendelschen Erbmerkmale (Gene): Beide, Gene und Chromosomen treten jeweils paarweise auf. Tiere, Pflanzen und Menschen besitzen in jedem Kern ihrer Zellen eine konstante Zahl von Chromosomenpaaren. Somit waren auch die Träger der von Mendel entdeckten Erbmerkmale gefunden worden.

Im Jahr 1923 gelang es dem amerikanischen Genetiker Thomas Hunt Morgan (1866 - 1945), die Lage der Gene auf den Chromosomen zu lokalisieren. Er erstellte für Insektenarten die sogenannten "Morganschen Gen-Karten", eine Art genetischer Identitätsausweis.

Hermann Joseph Muller, ein Schüler Morgans, machte 1926 eine Entdeckung, die heute, in un­serem Atomzeitalter von größter Bedeutung ist. Er erkannte, dass sich die Erbmerkmale unter Einwirkung von ionisierenden Strahlen verändern können; dass Strahlen also Mutationen in der Erbsubstanz bewirken, die in engem Zusammenhang mit Krebserkrankungen stehen.

Bisher hatte man der DNA keine größere Bedeutung zugestanden, weil man sie nicht so recht einzuordnen wusste. Erst 1944 identifizierte der Amerikaner Theodore Avery (1877 - 1955) die DNA eindeutig als die Substanz des Lebens, der Vererbung. Er wies also nach, dass die Kern­säure DNA die Trägerin der primären genetischen Information ist.

Die drei Molekularbiologen Francis H. C. Crick, James D. Watson und Maurice H. F. Wilkins bekamen 1962 den Nobelpreis für Medizin für die Entschlüsselung der molekularen Struktur der DNA und, weil sie deren Form und Funktionsweise erkannten. So waren die Geheimnisse der Erbsubstanz mit Hilfe von Röntgenstrukturanalysen offengelegt worden.

Die Amerikanerin Barbara McClintock (1902 - 1992) erkannte in den zwanziger Jahren bei Experimenten an Mais das Crossing-over (Austausch einzelner Chromosomen - Abschnitte und der dabei resultierende Austausch von genetischer Information). 1983 erhielt sie den Nobelpreis für ihre Entdeckung der springenden Gene, die in der Gentechnologie von allergrößter Bedeutung sind. (DNA - Bereiche, die innerhalb eines Chromosoms oder auch von Chromo­som zu Chromosom hin- und herspringen können).

Har Gobind Khorana (geb. 1922), ein indischer Chemiker und Nobelpreisträger, arbeitete an künstlichen Genen bzw. an der Laborsynthese dieser. 1976 gelang es ihm, ein menschliches Gen im Reagenzglas nachzubauen und es in Zellen, die durch einen genetischen Defekt dieses Gens beraubt waren, einzuschleusen und dort zum Arbeiten zu bringen.

Zu Beginn der 70er Jahre entdeckte der Schweizer Mikrobiologe Werner Arber (geb. 1929) in Bakterien die Restriktions-Enzyme, "Scheren", mit denen die Erbsubstanz DNA an spezifischen Stellen aufgeschnitten werden kann. Für die Entdeckung, Isolierung und Charakterisierung der Restriktions- Enzyme erhielt er 1978, zusammen mit D. Nathans und H. O. Smith, den Nobelpreis für Me­dizin.

Einer der prominentesten Vertreter der modernen Gentechnologie ist der amerikanische Naturwissenschaftler und Biochemiker Paul Berg (geb. 1926). Er erkannte sehr früh die anwendungsbezogenen Möglichkeiten, die sich aus dem Einschleusen von "Produktions-Genen" in (bakterielle) Wirtszellen ergeben würden. Er besaß aber auch den Blick für die potentiellen Gefahren und Risiken der Gentechnologie und gehört gemeinsam mit Chargaff zu den bekannte­sten Kritikern der gentechnischen Forschung.

Der Amerikaner Herbert Boyer (geb. 1936) beschäftigte sich als Biochemiker mit der Untersuchung von Restriktions-Enzymen. 1972 traf er zufällig mit Stanley Cohen zusammen, der sich mit dem Einschleusen von bakteriellen Plasmiden (DNA - Moleküle, die von einer Zelle in eine andere geschleust werden können; man kann sie als Träger von bestimmter DNA benützen) beschäftigte. Beide begriffen, was aus der Kombination ihres Know-how entstehen konnte, nämlich das Cohen - Boyer - Patent: Mit Boyers Restriktions-Enzymen ließen sich Plasmide aufschneiden und, mit neuen Genen als "Trittbrettfahrer", über Cohens Verfahren in Wirtszellen einschleusen.

Die Konferenz von Asilomar (1975): Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Gentechnologie veranlaßte elf US-Biochemiker und Molekularbiologen, darunter Paul Berg und James Watson, in einem Moratorium den vorläufigen Verzicht auf bestimmte gentechnologische Versuche zu fordern (beispielsweise Versuche mit Krebsgenen) - so lange, bis man mehr Erfahrungen mit dieser neuen Methodik, und vor allem deren Ergebnissen gemacht hätte. Darüber diskutierten im Februar 1975 über hundert Wissenschaftler im kalifornischen Asilomar. Ergebnis der Konferenz: Gentechnologische Experimente mit menschlichen Krebsgenen wurden verboten; Experimente mit potentiellen Krankheitserregern dürfen nur mit Sicherheitsstämmen - das sind Mikroorganismen, die besonders von den Laborbedingungen abhängig sind und daher außerhalb von diesem nicht überlebensfähig sind - in besonders eingerichteten Laboratorien geschehen.

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(2) "Omnis cellulae e cellula"

Alle Zellen entstehen aus Zellen (Virchow). Dieser Satz beschreibt das Prinzip des Lebens. Zellen entstehen nicht aus unbelebter Materie, können also nicht im Labor "geschaffen" wer­den. Jede Zelle ist durch Teilung einer Mutterzelle entstanden.

Alle Zellen enthalten Gene. Gene sind die Träger der Erbinformation. Von Generation zu Generation werden sie über die Keimzellen der lebenden Organismen an die Folgegeneration wei­tergegeben. Die Gesamtheit der Gene einer Zelle nennt man Genom. Das Genom besteht bei den meisten Organismen (Mensch, Tier) aus mehreren Chromosomen, das sind fadenförmige Strukturen, in denen sich die DNA be­findet. Jede Art hat eine charakteristische Anzahl an Chromosomen, die immer paarweise auftreten - eines vom Vater, das andere von der Mutter. Der Mensch beispielsweise besitzt 23 Chromosomenpaare. Einzelne Abschnitte dieser Chromosomen nennt man Gene. Chromosomen kommen nur in Zellen vor, die einen Zellkern besit­zen (Eukaryonten). Es gibt auch Zellen ohne Zellkern (Prokaryonten), beispiels­weise Bakterien - bei ihnen schwimmt die DNA daher frei im Zellplasma (Cytoplasma). Zusätzlich enthalten viele Bakterien Plasmide, in denen Gene sind. Plasmide sind sehr wichtig für die Gentechnologie, sie können nämlich fremde DNA in eine Zelle einschleusen.

Der Grundvorgang des Lebens ist die Zellteilung. Dabei muss die Erbinformation von der Mutterzelle an die Tochterzelle weitergegeben werden, ohne dass dabei auch nur das geringste verloren geht. Die Erbsubstanz ist diesem Ziel gemäß aufgebaut: die Desoxyribonukleinsäure (DNA oder DNS) ist als in sich gewundene Doppelwendel, als "Doppelhelix", konstruiert. In ihr ist die gesamte genetische Information abgespeichert.

2.1 Die DNA hat zwei Funktionen:

- Steuerung der Vorgänge in der Zelle

- Vererbung

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(3) Steuerung der Vorgänge

In einer Zelle spielen sich in jeder Minute des Lebens Tausende von biochemischen Prozessen ab: Stoffe werden chemisch umgewandelt, Substanzen werden transportiert, am Zellskelett wird gebaut, Erbsubstanz wird repariert etc.; all das kann nur mit Hilfe von Eiweißen ablaufen.

Proteine (Eiweiße, Polypeptide) werden aus Aminosäuren aufgebaut. Die Natur verwendet zum Aufbau der Proteine insgesamt zwanzig Aminosäuren, die in verschie­dener Zahl und Reihenfolge aneinandergereiht werden. Aus welchen und wie vielen Aminosäuren ein Protein aufgebaut ist, bestimmt ein Gen.

Die Eiweißbildung (Proteinsynthese)beginnt damit, dass ein "Kopier-Enzym" (ein Enzym ist ein Protein, das eine Aufgabe ausführt ohne dabei selber verändert zu wer­den), auch Polymerase genannt, die Botschaft des Gens in eine "Abklatsch-Kopie" überträgt, man nennt diesen Vorgang Transkription. Diese Kopie nun ist die einsträngige Ribonukleinsäure (RNA, RNS), welche die Anweisung des Gens als Bote in die Eiweiß - Synthesemaschine, das Ribosom ("Eiweißproduktionsstätte") bringt. Nach ihrer Botenfunktion heißt diese Ribonukleinsäure "messenger - RNA", kurz m-RNA. Die RNA hat einen ähnlichen Aufbau wie die DNA, nur ist in der RNA die Nukleobase Thymin der DNA in Uracil ausgetauscht, außerdem ist die RNA im Gegensatz zur DNA meist einsträngig.

Am Ribosom findet dann die Translation statt, d.h. die "Übersetzung" der genetischen Infor­mation in Proteine, indem das Ribosom "Buchstabe für Buchstabe" die chemische Botschaft von der m-RNA "abliest". Jeweils drei von den abgelesenen RNA-Basen, Codon genannt, signalisieren den Einbau einer bestimmten Aminosäure. Nun stellt sich die Frage, woher diese Aminosäuren stammen. Sie werden herangeschafft, und zwar von der dafür spezialisierten transfer-RNA (t-RNA). Wenn die Proteinsynthese beendet ist, das Ende genauso wie der Anfang werden von einem Codon signalisiert, ist ein Kettenmolekül aus oft vielen hundert Aminosäuren entstanden. Die Bindungskräfte zwischen den Aminosäuren falten diese Aminosäurekette zu einem dreidimensionalen Körper: ein funktionsfähiges Eiweißmolekül, ein Protein, ist fertig.

Wie "weiß" ein Gen, wann es aktiv werden muss, um ein Protein synthetisieren (bilden) zu lassen? Allein um das Überleben der Zelle zu gewährleisten, gehen sehr viele Prozesse vor sich. Die meisten Zellen haben aber noch dazu bestimmte Aufgaben innerhalb des Organismus, zum Beispiel die Produktion eines Hormons oder mechanische Arbeit (in Muskelzellen). Diese Ar­beiten müssen nun ebenso exakt koordiniert werden, wie die für das Überleben der Zelle not­wendigen Prozesse. Deshalb ist eine absolute Kontrolle über alle Vorgänge erforderlich. Die Zelle erreicht dies durch das gezielte Ein- und Ausschalten von Genen, die sogenannte Kontrolle der Genexpression. Fast alle Zellen spezialisieren sich im Verlauf ihres Lebens. Bei dieser Spezialisierung werden viele Gene, die von einer bestimmten Zelle für ihr Überleben nicht ge­braucht werden, inaktiviert. Die Gene, die die Zelle aber öfters benötigt, die also oft aktiv sind, werden von Enzymen, man bezeichnet sie dann als Transkriptionsfaktoren, "kontrolliert". Wird nun ein Protein gebraucht, machen sich diese Transkriptionsfaktoren an die Arbeit, das entsprechende Gen zu aktivieren; indem sie sich an bestimmten Stellen, sog. Kontrollregionen, an die DNA binden und so das Gen "erwecken".

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(4) Unterscheidung Genetik - Gentechnik

Die Genetik ist die Wissenschaft von der Vererbung. Sie beschäftigt sich mit der Weitergabe der Erbinformation von einer Generation auf die folgende - damit verbunden natürlich auch mit der Verschlüsselung und Speicherung der Erbinformation im genetischen Code sowie mit der Umsetzung der Erbinformation in der Zelle und im sich entwickelnden Organismus. Die Gentechnik (Gentechnologie) ist die gezielte Veränderung und Neukombination (Rekombination) von genetischem Material; in anderen Worten, die Veränderung der DNA, um sie neukombi­niert in eine lebende Zelle einzuschleusen und dort vermehren zu lassen.

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(5) Gentechnologische Methoden

Der grundlegende Vorgang in der Gentechnologie, nämlich das Einschmuggeln eines nach eigenem Wunsch gestalteten genetischen Befehls in eine Wirtszelle, ist keine Erfindung des Menschen. Im mikroskopischen Kosmos der Viren und Bakterien ist dieses kuckucksartige Unterschieben eigener DNA bereits seit Jahrmillionen gang und gäbe: Konjugationheißt das Phänomen, wonach Bakterien bestimmte Gene untereinander austauschen; dabei verschmelzen die Zellwände zweier Bakterienzellen an einer kleinen Stelle miteinander, und über den dabei ent­standenen kurzen "Verbindungsschlauch" wechselt dann ein Plasmid (ein kleiner DNA-Ring) vom einem zum anderen hinüber.

Beim ebenfalls in der Natur ablaufenden Vorgang der Transduktion sind Viren die Übeltäter, genauer gesagt Bakteriophagen. Sie injizieren ihre DNA einfach in Bakterien-, Tier-, Pflanzen- und Menschenzellen.

Bei der Tranformation schließlich schleusen Mikroorganismen unverpackte DNA-Moleküle durch die Zellwand ihres Gegenübers. Mit "unverpackt" ist gemeint: ohne Ausbildung eines anbindenden Schlauchs wie bei der Konjugation, ohne Verschmelzen der Virus-Membran mit der Zellwand der Wirtszelle wie bei der Transduktion.

5.1 Molekulare Scheren:

Bei der Erforschung dieser natürlichen Gen-Übertragungsmechanismen kam der Forscher Arber den Restriktions-Enzymen, molekularen Scheren, auf die Spur. Mit dieser Entdeckung konnten die Wissenschaftler die DNA-Fäden an spezifischen Stellen zerschneiden, und somit Gen-Stücke von bestimmter Größe bekommen. Ergänzt wurde dieses System noch durch eine andere Enzymklasse, die Ligasen. Ligasen sind molekulare Maschinen aus Eiweiß, die in der Lage sind, DNA-Moleküle aneinander zuknüpfen - man könnte sie als "Gen-Klebstoff" bezeichnen. Mit der Entdeckung dieser beiden Enzyme waren perfekte gentechnische Werkzeuge geschaf­fen, um die Erbsubstanz-Moleküle neu zu kombinieren. Um ein Gen, das die gewünschte Erbinformation trägt, in eine Wirtszelle hineinzupraktizieren, benötigt man einen Vektor. Ein Vektor ist ein Trägermolekül, das die Zellmembran der Wirtszelle passieren kann, und dabei das gewünschte Gen mit einschleust. Als Vektor verwendet man heute überwiegend Plasmide. Andere Verfahren, beispielsweise für eine direkte Übertragung des gewünschten Gens in eine Zelle, sind in der Entwicklung.

5.2 Plasmide

Will der Gen-Ingenieur ein bestimmtes Stück der DNA in eine Zelle durch ein Plas­mid einschleusen lassen, schneidet er zuerst mit einem Restriktions-Enzym den Plasmid-Ring, der aus einer Bakterie gewonnen wurde, an einer Stelle auf. Dann gibt er dasjenige Gen hinzu, das er in die Wirtszelle einschleusen möchte; danach fügt er der Reaktionslösung noch das Enzym Ligase zu, das die freien Enden des aufgeschnittenen Plasmids mit den Enden des hinzugefügten Gens verknüpfen. (Das ganze ähnelt den Vorgängen im Schneideraum eines Filmstudios: Der Cutter schneidet den Film an einer Stelle auf und klebt dort ein gewünschtes Filmstück ein). Die solchermaßen präparierten Plasmide gibt der Gentechnologe nun zu einer Lösung, in der die Wirtszellen sind, zusammen mit einem chemischen Reagenz, das die Zellmembranen der Wirtszellen für einige Zeit durchlässig macht. Jetzt herrscht sozusagen Durchzug in den Wirts­zellen, und die kleinen DNA-Ringe der Plasmide können in die Zellen hineindiffundieren. Da­nach ist der Einschleusevorgang abge­schlossen. Mit Nährstoffen, Kulturmedium und guten Wachstumsbedingungen versorgt, vermehren die genetisch veränderten Zellen jetzt die einge­schleusten Plasmide mitsamt dem gewünschten Gen. Dieser Prozess heißt Gen-Klonierung. Wenn alles planmäßig abgelaufen ist, produzieren die "umgepolten" Zellen unter dem Einfluss des eingeschmuggelten Gens massenhaft das gewünschte Eiweißmolekül. Voraussetzungen für den Erfolg dieses Vorgangs: Die Wirtszelle muss das ihr untergeschobene Plasmid als "eigen" anerkennen. Tut sie das nicht, setzen Abweh­rorganismen gegen Fremd-DNA ein, und das mühsam in die Zelle praktizierte Plasmid wird zerstört.

Die Wirtszelle muss den fremden genetischen Befehl verstehen können. Zwar ist der genetische Code grundsätzlich universell, doch es existieren sozusagen unterschiedliche Dialekte. (nicht jedes Bakterium versteht die Start- und Stoppsignale einer anderen Bakterien-Art.)

Woher stammt das Gen, welches in die Wirtszelle eingeschleust wird? In manchen Fällen lässt sich dieses Gen aus dem Genom eines anderen Lebewesens isolieren (durch Restriktions-En­zyme). Dann muss es nur noch mit den Steuersignalen, welche die Ziel-Zelle "versteht", ausgestattet werden.

Manchmal muss das einzuschleusende Gen aber auch selbst hergestellt werden. Das geschieht durch chemische Synthese, chemisches Aneinanderkoppeln einzelner Bausteine. Früher wurde dies in zeitraubender und mühseliger Arbeit von Hand gemacht; heute gibt es Synthese-Automaten, so genannte Gen-Maschinen, die computergesteuert die Syntheseschritte vollziehen. So entstehen "synthetische Gene".

5.3 Das Shotgun-Experiment

Das Shotgun-Experiment war die erste Methode, mit der Gentechnologen ein be­stimmtes DNA-Stück aus der gesamten DNA eines Organismus isolieren wollten. Dieser Weg war sehr breit gestreut und nicht gerade trefferspezifisch, denn zuerst wird die gesamte DNA des betreffenden Organismus aus der Zelle isoliert. Die Erbsubstanz wird dann durch ein Restriktions-Enzym zerschnitten. Mit demselben Enzym zerschneidet man Plasmide eines Wirtsbakteriums und mischt die aufge­schnittenen Plasmide mit der zerschnittenen DNA des Organismus. Die DNA-Fragmente rekombinieren jetzt kreuz und quer miteinander; sie verknüpfen sich unter dem Einfluss von Ligase-Enzymen zu einer Vielzahl von DNA-Kombinationen, die erneut zu Ringen geschlossen werden. Nun lässt man die neukombinierten Plasmide von den Zellen aufnehmen. Einige davon enthalten jenes DNA-Stück, das man gerne isolieren möchte. Diese gilt es nun zu finden, und aus ihnen eine Kolonie gleichartiger Zellen zu ziehen, in der das gesuchte Gen vervielfältigt wird.

5.4 Springende Gene - Transposons

Transposons, DNA-Bereiche, die innerhalb eines Chromosoms oder auch zwischen Chromosomen hin- und herspringen können, sind für den Gentechnologen von größtem Interesse, da er stets auf der Suche nach mobilen Trägermolekülen für das Einschleusen von gewünschten Genen in Zellen ist. Mit größter Sicherheit werden springende Gene in der Pflanzen-Gentechnologie eine wichtige Rolle spielen, nämlich bei der direkten Übertragung eines Gens in eine Zelle.

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(6) Derzeit in der Gentechnologie verwendete Verfahren

6.1 Zellfusion

Durch bestimmte Chemikalien oder durch Impulse von elektrischem Strom verschmelzt man die Membranen benachbarter Zellen miteinander. Dabei vermischt sich der Zellinhalt - somit auch die Erbsubstanz. Gezielter lässt sich operieren, wenn man nicht eine komplette Zelle mit der Zielzelle vermischt, sondern ein künstlich geschaffenes Membransäckchen (Mizelle), in das man ausschließlich das zu transferierende Gen verpackt hat.

6.2 Plasmide

Zu den klassischen Vektoren, mit denen man - wie mit einem Trojanischen Pferd - ein fremdes Gen in eine Zielzelle einschmuggeln kann, gehören die Plasmide (Ringmoleküle aus Erbsubstanz DNA). Ein fremdes Gen lässt sich in den Plasmid-Ring einsetzen, und die Wirtszelle lässt das Plasmid plus zusätzlichem Gen passieren.

6.3 Viren

Der Gentechniker verpackt das Gen, welches er in die Zielzelle einschmuggeln will, in ein Virus (Phage). Dieses injiziert seine Erbsubstanz  mit dem dazugekommenen Gen in die Zelle.

6.4 Ti-Plasmid

Ein Bodenbakterium kann durch kleine Verletzungen in Pflanzen eindringen und ein Tumor-induzierendes Plasmid (Ti-Plasmid) in die Pflanzenzellen injizieren. Dieser Technik bedient sich der Pflanzen-Gentechnologe, um neue Gene in Pflanzenzellen einzuschmuggeln. (Allerdings lassen sich nur zweikeimblättrige Pflanzen mit Ti-Plasmiden infizieren).

6.5 Gen-Transfer per Mikro-Injektion

An ein Bruchstück eines springenden Gens gekoppelt, wird dabei fremde DNA direkt in pflanzliche Protoplasten (zellwandlose Pflanzenzellen) injiziert. Die fremde DNA wird in das pflanzliche Genom integriert und gehört von da an zur genetischen Ausstattung.

6.6 Polymerase-Kettenreaktion

Die Polymerasekettenreaktion (kurz PCR für englisch: polymerase chain reaction) ist eine gentechnologische Methode zur Vermehrung eines DNA-Fragments. Das Verfahren wurde 1983 von Kary Mullis erfunden. Der Kettenreaktion liegt folgendes Prinzip zugrunde: Man synthetisiert zunächst zwei kurze DNA-Sequenzen (Oligonucleotide), die nach den Regeln der Basenpaarung komplementär zu den beiden Enden des zu vervielfältigenden DNA-Abschnitts sind. Die DNA, welche die zu vermehrende Sequenz enthält, wird zunächst durch Temperaturerhöhung in die Einzelstränge gespalten. Die beiden synthetisierten Oligonucleotide hybridisieren mit den Enden der denaturierten DNA. Anschließend setzt man DNA-Polymerase zu, ein Enzym, das die gebundenen Oligonucleotide zu vollständigen Kopien der gewünschten DNA verlängert. Nun sind bereits zwei Exemplare des gewünschten DNA-Moleküls vorhanden. Durch erneute Erhitzung trennen sich die Stränge wieder, neue Oligonucleotide können binden und der nächste Verdoppelungszyklus beginnt.

Die so entstandenen Molekülkopien werden in den folgenden Zyklen immer wieder verdoppelt, so dass man innerhalb weniger Stunden das gewünschte DNA-Fragment millionenfach angereichert hat. Bei dieser Methode verwendet man eine hitzestabile DNA-Polymerase (die Taq-Polymerase), die das wiederholte Erhitzen toleriert und deshalb die Verdoppelung immer wieder katalysieren kann.

Die Polymerasekettenreaktion ermöglicht wie die Genklonierung die Anreicherung großer Mengen eines ganz bestimmten DNA-Abschnitts. Anders als bei dem komplizierteren Klonierungsverfahren benötigt man für die PCR bereits Informationen über die DNA-Sequenz, damit man geeignete Oligonucleotide herstellen kann. Die PCR findet in der Grundlagenforschung und medizinischen Diagnostik breite Anwendung. Bei der medizinischen Diagnose dient sie vor allem zum Nachweis von Krankheitserregern oder zur pränatalen Diagnose. Innerhalb der Evolutionsbiologie sind durch die PCR genetische Untersuchungen an paläontologischen Funden möglich. Der Nachteil der PCR liegt darin, dass es leicht zu Verfälschungen kommen kann, wenn die zu untersuchende DNA mit geringsten Mengen anderer Sequenzen verunreinigt ist. Um diesen Effekt zu vermeiden, muss man bei ihrer Durchführung äußerst sorgfältig vorgehen.

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(7) Anwendungen und Chancen der Gentechnologie

7.1 Anwendungen in der Humanmedizin

Die Entwicklung der angewandten Gentechnologie hat ein rasantes Tempo erlangt; in kaum einer anderen Disziplin erfolgt ein so schneller Technologietransfer von der Grundlagenforschung zur Industrie. Zur Zeit sind einige gentechnisch erzeugten Medikamente auf dem Markt. Das erste war Insulin.

7.2 Rekombinante Proteine

Es gibt keine biologischen Prozesse, bei denen nicht in irgendeiner Form Proteine beteiligt sind. Daher ist die Idee nicht von der Hand zu weisen, gewisse Proteine zur Heilung von Krankheiten zu verwenden. Damit waren aber bisher einige Schwierigkeiten verbunden, denn Proteine werden nach Einnahme durch den Mund nicht ins Blut aufgenommen; die meisten Proteine sind für ihren Ursprungsorganismus typisch, d.h., dass beispielsweise ein Pflanzenprotein nicht in einem menschlichen Organismus wirkt; und außerdem ist es bei der Vielzahl von verschiedenen Proteinen sehr schwierig zu wissen, welches eine heilende Wirkung haben könnte.

Trotzdem gibt es heute Proteine, die tatsächlich bei der Heilung von Krankheiten helfen können. Das erste solche Protein war das aus Rindern und Schweinen gewonnene Insulin zur Behandlung von Diabetes. Die Liste der therapeutisch ver­wendbaren Proteine tierischen Ursprungs ist aber sehr kurz. Mit Hilfe der Gentechnologie können menschliche Proteine in aus­reichender Menge hergestellt und als pharmakologische Wirkstoffe verwendet werden. Solche gentechnisch hergestellten Proteine werden als rekombinante Proteine bezeichnet. Die rekombinanten Proteine bieten auch verschiedene Diagnostika zur Identifizierung von Infektionskrankheiten, beispielweise wurde der Erreger von Aids, das menschliche Immunschwäche-Virus (HIV), vor acht Jahren mit gentechnischen Methoden identifiziert und strukturell aufgeklärt.

7.3 Interferone

Interferone (eine Proteingruppe) erhielten ihren Namen wegen ihrer Wirkung, nämlich der Erzeugung eines antiviralen Zustands in Zellen, die dann nicht mehr von Viren infiziert werden können.

Die Interferone gelten als eine Art Signalstoffe, die auf einen äußeren Reiz hin von Zellen abgesondert werden, um andere Zellen zu warnen - beispielweise bei einer Virus-Infektion. Neben dieser antiviralen Wirkung modulieren Interferone die kör­pereigene Abwehr; vor allem das Gamma - Interferon zeigt eine starke Aktivierung des Immunsystems. Die gentechnische Herstellung von allen drei Arten von Interferonen ist gelungen - und durch sie stehen die Human - Interferone in Substanz­mengen zur Verfügung, die klinische Versuche zur Erprobung ermöglichen. Alpha - Interferon wird heute gegen das Wachstum bestimmter Krebsformen eingesetzt.

7.4 Impfstoffe

Bei der Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen mit gentechnischen Methoden werden einzelne Proteine von Krankheitserregern oder Bruchstücke solcher Proteine hergestellt. Das Ziel bei der Entwicklung eines solchen rekombinanten (gentechnisch erzeugten) Impfstoffes ist es, dasjenige Protein bzw. diejenigen Protein­bruchstücke des Krankheitserregers ausfindig zu machen, das den besten Impfschutz hervorruft und gut verträglich ist. Rekombinante Impf­stoffe können zunächst dort erfolgreich sein, wo herkömmliche Methoden der Impfstoff - Herstellung versagen. Die gentechnische Produktionsweise hat den Vorteil, dass nicht mit infektiösen Krankheitserregern, sondern nur mit nicht infektiösen Teilen von deren Erbsubstanz gearbeitet werden muss. Der erste eingeführte rekombinante Impfstoff vermittelt einen Impfschutz gegen Hepatitis B (Nierenentzündung). Mehrere weitere gentechnisch hergestellte Impfstoffe werden derzeit klinisch geprüft, darunter befinden sich auch Aids- sowie Malaria- Impfstoffe.

7.5 Gentherapie

Unter Gentherapie versteht man die Behandlung von Krankheiten durch den Transfer von Genen in menschliche Zellen. Heute werden somatische Zellen, also Körperzellen im entwickelten Organismus, als Zielzellen für die Gentherapie in Betracht gezogen. Eine Gentherapie an menschlichen Keimzellen, also ein genetischer Eingriff, der sich weitervererbt (Keimbahn - Gentherapie), wird heute allgemein aus ethischen Gründen abgelehnt.

In den USA werden derzeit Versuche angestellt, eine seltene angeborene Immunschwäche - Krankheit durch somatische Gentherapie zu heilen. Die Krankheit heißt ADA-Defiziens. Den Patienten fehlt infolge eines genetischen Defekts ein Enzym. Dieser Defekt verhindert die Entwicklung eines intakten Immunsystems. Die Patienten können nur unter sterilen Bedingungen überleben. Amerikanische Wissenschaft­ler an den National Institutes of Health (NIH) haben einem unter ADA - Defizienz leidenden vierjährigem Mädchen Immunzellen entnommen und diesen Zellen im Reagenzglas ein gesundes ADA-Gen eingesetzt. Die Hoffnung bei diesem Versuch besteht darin, dass die Zellen, die nun ein gesundes ADA-Gen tragen, sich im Blut der Patientin vermehren, und so die Bildung eines wenigstens teilweise funktionellen Immunsystems ermöglichen.

7.6 Genomanalyse

Die Genomanalyse ist ein Teilbereich der Gentechnik und bedeutet die Analyse der menschlichen Erbinformation. Anfangs war allein schon die Entschlüsselung der Erbanlagen von primitiven Organismen ein langwieriges Geschäft. Vor zwanzig Jahren dauerte es zwölf Monate, bis ein einzelner Forscher hundert Basenpaare analysiert hatte, heute können automatische Analysegeräte, sogenannte Sequenzer, hunderttausende DNS-Sprossen täglich entschlüsseln. Man rechnet mit der Decodierung des gesamten menschlichen Genoms im Laufe der nächsten zehn bis zwanzig Jahre.

Die Anwendungsgebiete der DNA-Untersuchung sind vielfältig. So lassen sich Erbkrankheiten feststellen, und zwar bereits im vorgeburtlichen Stadium. Ebenso lassen sich bei jedem Menschen mögliche genetische Veranlagungen für bestimmte Krankheiten, etwa Herz- oder Tumor - Krankheiten, und für Unvertäglichkeiten gegenüber bestimmten chemischen Stoffen ermitteln. Zu Ende gedacht können schließlich auch die genetischen Anlagen für geistige und seelische Eigenschaften des Menschen Untersuchungsgegenstand sein. So scheut man sich nicht, Homo­sexualität oder Kriminalität in Verbindung mit chromosomalen Aspekten zu untersuchen.

7.7 Transgene Tiere und Pflanzen

Ein Gentransfer in befruchtete Eizellen tierischen Ursprungs ist mittels einer ganz feinen Glaskapillare unter dem Mikroskop möglich. Die transferierte (fremde) DNA integriert sich in einigen Fällen in das Genom dieser befruchteten Eizelle. Der durch Zellteilung wachsende Embryo enthält dann in jeder Zelle die zusätzliche Erbinformation. Die Zellen unterscheiden nicht mehr zwischen der eigenen und der eingebrachten DNA. Ein aus einer solchen Eizelle heranwachsendes Tier wird als "transgenes Tier" bezeichnet. Grundsätzlich die gleiche Vorgehensweise ist bei Pflanzen möglich; es entsteht eine "transgene Pflanze".

Die rekombinanten Organismen - oder transgenen Lebewesen - erhalten so Eigen­schaften, die sie auf natürlichem Weg nicht, und wenn, dann nur in einem sehr langsamen evolutionären Prozess, bekommen würden.

Der Sinn solcher Experimente bestand ursprünglich darin, mehr über die Funktion eines einzelnen Gens zu erfahren. Das Verhalten des transferierten Gens kann ja im lebenden Tier studiert werden. Beispielweise haben die Krebsforschung und die Immunologie aus Experimenten mit transgenen Mäusen schon wesentliche Erkenntnisse über die Ursachen von Krankheiten gewinnen können.

Entwürdigende Experimente mit Tieren sind bereits unternommen wurden,  zwar unter dem Deckmantel, der Menschheit dienen zu wollen, aber eigentlichen nur um die Neugierde einiger Wissenschaftler zu stillen. So will nun auch die (Land-) Wirtschaft ihren Nutzen aus transgenen Tieren ziehen. Im Vordergrund der Bemühungen in der Nutztierzucht stehen genetische Veränderungen, die das Wachstum, die Fruchtbarkeit und die Produktivität der Tiere steigern.

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(8) Anwendungen in der Landwirtschaft

8.1 Nutztierzucht

Das Ziel der Nutztierzucht scheint es zu sein, größtmöglichen Gewinn aus Tieren zu bekommen. So hofft man beispielsweise, das langsam wachsende, aber im Gegensatz zum Hausschwein gegen Stress widerstandsfähigere Wildschwein durch den Transfer eines zusätzlichen Gens zu einem geeigneten Nutztier machen zu können.

Merino-Schafe glaubt man durch die Übertragung eines besonderen Fertilitätsgens auf Mehrlingsgeburten umstellen zu können. Darüber hinaus ist denkbar, dass man die Eigenschaften der Wolle gezielt verbessert, indem man für deren Synthese verantwortliche Keratin-Gene in ihrer Struktur verändert. Auch will man Schafen zusätzliche Gene für die Biosynthese der für den Haarwuchs nötigen Aminosäure Cystein einpflanzen. Diese Aminosäure kann vom Tier nämlich nicht gebildet werden (eine erhöhte Cysteinzufuhr steigert nachweislich die Wollproduktion).

Schließlich kann man natürlich Resistenzen - wie sie etwa beim westafrikanischen N'Dama Rind gegenüber der Schlafkrankheit besteht - auf andere Rinderrassen übertragen.

Durch die Gentechnologie können aber nicht nur Nutztiere zu besseren Lieferanten von Fleisch, Milch oder Wolle gemacht werden, sondern man könnte Tiere auch auf die Synthese pharmakologisch interessanter Produkte umprogrammieren. So kön­nen die Milchdrüsen von Kuh und Schaf als "Bioreaktor" etwa so verändert werden, dass sie bestimmte Eiweiße, die als Impf- und Arzneistoffe wichtig sind, produzieren.

8.2 Tierpatente

Seit dem 21. April 1987 können in Amerika, neuerdings auch in Europa, Tiere, deren Erbinformationen im Labor verändert wurden, patentiert werden. In der Verordnung, die der für das Patentamt zuständige stellvertretende Wirtschaftsminister Donald Quigg unterzeichnete, wird die neue Patentklasse "800" beschrieben. Darunter fallen genetisch veränderte mehrzellige lebende Organismen außer dem Menschen. Mitte 1987 lagen der Behörde fünfzehn Patentanträge für diese neue Klasse vor. Darunter war beispielweise ein Antrag des Versuchshofs in Beltsville (Maryland). Dort baute man jenen Genabschnitt im menschlichen Erbgut der für die Herstellung eines Wachstumshormons verantwortlich ist in die DNA von Schweineembryos ein. Die Tiere wuchsen nun also schneller, hatten weniger Fett, und vererbten das neue Gen an ihre Nachkommen. Die "neuen" Schweine litten jedoch an Arthritis, waren anfälliger für Infektionen und begannen zu schielen. Zu den Antragsstellern gehören auch Wissenschaftler der landwirtschaftlichen Fakultät der Universität von Kalifornien in Davis. Dort wurde 1985 eine Schimäre aus Ziege und Schaf geboren, die im Reagenzglas gezeugt worden war.

8.3 Embryo - Splitting

Der Einbau menschlichen Erbguts in tierische DNA oder die Erzeugung völlig neuer Rassen sind derzeit noch Extremfälle. Bei den meisten Patentenanträgen geht es um einfache Eingriffe in den tierischen Reproduktionszyklus. Dazu gehört etwa das Embryo-Splitting, bei dem eine befruchtete Eizelle kopiert wird. Beide Eizellen wer­den dann in das Muttertier eingepflanzt, das somit (identische) Zwillinge austrägt. Darunter fällt auch das Klonieren exakter Kopien der Erbmasse hochwertiger Tiere.

Die Firma "Embryogen" aus Athens (Ohio), die sich hauptsächlich mit der Gentechnik bei Säugetieren befasst, schloss einen Vertrag mit der amerikanischen Pharma­firma "Upjohn", um La­bortiere wie Mäuse genetisch so zu verändern, dass sie anfällig für bestimmte Krankheiten werden. "Upjohn" will an ihnen dann Medikamente testen, die sonst an höheren Lebewesen ausprobiert werden müssten. "Embryogen" - Chef Stephen Holtzman spekuliert: "Es wäre großartig, wenn wir Labormäuse hätten, die Aids bekommen könnten. An ihnen ließe sich die Wirkung verschiedener Medikamente viel schneller untersuchen als an Schimpansen oder Menschen."

8.4 Pflanzenzucht

Von der Landoberfläche der Erde ist nur etwa ein Zehntel für den Anbau unserer heutigen Kulturpflanzen auf Feldern geeignet. In den übrigen Gebieten ist es entweder zu trocken, zu kalt oder der Boden ist versalzen, oder die Bodenschicht zu dünn. Durch die Gentechnologie könnte man Nahrungspflanzen besser an ungünstige Standorte anpassen, Ackerbauflächen vergrößern und die Produktivität von Kulturpflanzen steigern, indem die Pflanzen gegen Salz, Trockenheit und andere feindliche Umweltfaktoren (Schädlinge) resistent gemacht werden. Doch die Ursachen der Resistenzeigenschaften bei Pflanzen sind noch nicht genügend erforscht, die erhoffte Schaffung von Kulturpflanzen, die ihren Stickstoffbedarf aus der Luft decken, noch nicht gelungen - die Nutzpflanzen beziehen ihren Stickstoff nach wie vor in Form von Nitrat, das sie über die Wurzeln aus dem Boden aufnehmen; und bei der Ernte wird der Stickstoff zusammen mit der Biomasse dem Boden entnommen. Damit Neues gedeiht, müssen diese Nährstoffe dem Boden wieder zugeführt werden.

Prinzipiell ist es möglich, Pflanzenzellen genetisch gezielt zu verändern und daraus "neue" Pflanzen aufzuziehen. Am leichtesten ist das bei Nachtschatten-Gewächs, beispielsweise Tabak. In einem Universitätslabor in Kalifornien wurden Teile der Erbinformation von Leuchtkäfer in Tabakpflanzenzellen übertragen. Das Endergebnis davon war, das die Pflanzen nun dieselbe Strahlkraft besaßen wie die Leuchtkäfer: Tabakpflanze leuchtet durch Gentransfer!

8.5 Anwendungen in Chemie und Technik

Technische Enzyme, zumeist auf natürlichem Weg gewonnen, werden heute im Bereich des Rohstoffaufschlusses und der Lebensmittelindustrie angewendet. Für die Herstellung von in Limonade verwendetem Flüssigzucker wird mit Enzymen gearbeitet; genauso bei der Herstellung von Backwaren oder Fruchtsäften. Mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen lassen sich diese Verfahren effektiver machen, indem bei gleichem Rohstoffverbrauch höhere Enzymausbeuten erzielt werden. Auch neue Verfahren wurden möglich: Das zur Käsereifung verwendete Chymosin, das bisher aus Kälbermägen extrahiert wurde, kann durch die Gentechnik erstmals aus Mikroorganismen gewonnen werden.

Eine völlig neue Forschungsrichtung ist das Protein-Engineering. Indem man gezielt Mutationen in Gene einführt, kann man die Aminosäuresequenz von Proteinen verändern. Man gewinnt so Enzym-Varianten, die es in der Natur nicht gibt, die aber an die jeweiligen Verfahrensbedingungen besser angepasst sind. So werden sich eines Tages Enzyme für chemische Umsetzungen regelrecht konstruieren lassen. Mikroorganismen sollen dann organische Verbindungen produzieren, die als Lösungsmittel in großen Mengen oder zur Kunststoffherstellung benötigt werden.

Viele unserer Energie- und Umweltprobleme, vor allem die Verwertung von Abfällen und die Ausnutzung von Energiequellen hängt direkt mit der Umsetzung organischen Materials zusammen. Viele dieser Prozesse sind jedoch noch unwirtschaftlich oder funktionieren nur im Labor, weil optimal an den Zweck angepasste Mikroorganismen fehlen. Als Anwendungsgebiete hat die Industrie etwa das Recycling von Abfällen, den Abbau von Schadstoffen, verbesserte Kläranlagen-Mikroorganismen, Bakterien, die nach Tankerunfällen Öl beseitigen, im Auge. Auch das Verfahren, bei dem Bakterien gleichsam als Bergarbeiter Metallverbindungen aus Erzlagerstätten und Abraumhalden herauslösen, könnte verbessert werden; fossile Brennstoffe ließen sich durch die Umwandlung von Biomasse, wie Stroh oder Holz in energiereiche Verbindungen einsparen.

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(9) Internationale Sicherheitsrichtlinien in der Gentechnologie

So viele Chancen und Verbesserungen uns durch die Gentechnologie beschert werden können, so viele Gefahren birgt sie auch in sich. Was die Befürchtungen betrifft, durch Unvorsichtigkeit, menschliches Versagen oder gar böse Absicht  könne einmal ein gentechnologisch verändertes Virus oder Bakterium aus dem Labor ins Freie gelangen, existieren zwei Kategorien von Maßnahmen: Die Laborsicherheit und die biologische Sicherheit.

Zur Laborsicherheit gibt es eine Abstufung, je nach dem Gefahrenpotential der geplanten Versuche: Jeder, der Gen-Experimente betreiben will, muss dies abgestuft nach dem Gefährlichkeitsgrad der Versuche - in einer Gen-Labor-Kategorie mit einem jeweils fest umrissenen Leistungskatalog tun.

9.1 L1

Im L1-Labor, der niedrigsten Gefahrenstufe, müssen lediglich die Regeln beachtet werden, die in jedem beliebigen medizinischen Laboratorium üblich sind: Man darf dort nicht essen, trinken oder rauchen, muss eine Gelegenheit zum Händewaschen haben und sterilisierbare Arbeitskleidung (Kittel) tragen. Abfälle, die Mikroorganismen oder Nukleinsäure (DNA) enthalten, müssen am Arbeitsplatz zerstört werden können. Die Fußböden müssen leicht desinfizierbar sein.

9.2 L2

Im L2-Labor, dem gängigen Gen-Labor-Typ an vielen Hochschulen und Industrieforschungseinrichtungen, muss zusätzlich zu den L1-Bedingungen noch eine spezielle Arbeitsbank verfügbar sein. Das ist ein etwa schrankgroßer Kasten, der auf der Vorderseite eine Arbeitsöffnung hat, die man mit einer Glasplatte verschließen kann. In der Arbeitsbank wird ein zirkulierender Luftstrom durch ein Schwebstoff-Filter geleitet, bei jedem Durchlauf keimfrei gemacht und wieder in den Kreislauf eingeblasen. Ferner muss das L2-Labor einen Autoklaven aufweisen, ein Gerät, in dem jeglicher Abfall vor dem Verlassen des Labors in über 100°C heißem Wasserdampf sterilisiert wird. Während der Arbeit müssen die Labortüren geschlossen sein, ein außen aufgebrachtes Schild "Biohazard" (biologische Gefahr) muss vor dem Zutritt warnen. Nur die Experimentierenden und der eigens dazu ernannte Sicherheitsbeauftragte haben Zutritt.

9.3 L3

Im L3-Labor finden sich, zusätzlich zu den L1- und L2-Bedingungen, folgende Einrichtungen: Nur durch eine zweitürige Schleuse dürfen Experimentatoren und Sicherheitsbeauftragte den Raum betreten oder verlassen können, ansonsten muss der Raum von seiner Umgebung abgeschirmt sein. Zur Einrichtung der Schleuse gehört ein Handwaschbecken mit Ellbogen-, Fuß- oder Sensor-Betätigung. In der Schleuse muss Schutzkleidung (Schuhe und hinten schließender Mantel) getragen werden, und beim Arbeiten im eigentlichen Laborraum ist das Tragen von Einweghandschu­hen Pflicht. Beim Arbeiten unter L3-Bedingungen muss der Laborraum stets unter leichtem Druck stehen, so, dass ständig ein minimaler Luftzug von außerhalb ein­strömt. Das soll zusätzlich verhindern, dass Zellen oder Nukleinsäuremoleküle durch Fugen im Raum nach draußen entweichen. Der Unterdruck im Laborraum muss mit einem Messgerät, das von außen wie von innen ablesbar ist, kontrolliert werden. Wenn das Messgerät einen Abfall des Unterdrucks registriert oder selbst ausfällt, muss eine akustische Warnanlage in Aktion treten. Das L3-Labor darf entweder kei­nen Abguss enthalten, oder es muss mit einer Abwasserdesinfektion versehen sein Die Abluft wird durch ein bakteriendichtes Filter geleitet, das nach dem Auswechseln im Autoklaven sterilisiert werden muss. Nur wenn eine vom Laborraum aus einschaltbare Alarmanlage vorhanden ist, darf der Experimentierende allein arbeiten; ansonsten müssen sich stets mindestens zwei Personen gleichzeitig im Labor aufhalten.

Letzten Endes können alle diese Maßnahmen von einem Menschen, der böse Absichten hat, unterlaufen werden. Daher gibt es eben noch das biologische Sicherheitssystem, das vermutlich höher einzuschätzen ist als alle noch so dicht schließenden Schleusensysteme. Die biologischen Vorkehrungen sollen sicherstellen, dass die vom Gentechnologen neukombinierte DNA sich nicht außerhalb des Labors ausbreiten kann. Dazu werden Vektoren und/oder Wirtszellen genetisch geschwächt:

Die Vektoren tragen genetische Marker, das sind einkonstruierte Gene oder Gen-Defekte, die diese Vektoren nur bei Labor-Wirtszellenstämmen funktionieren lassen, die in der freien Natur ja nicht überlebensfähig sind. Bei natürlichen Wirtszellen darf maximal einer von 100 Mio. Bakteriophagen überleben, so dass erst gar kein Infektions­zyklus beginnen kann.

Die im Handel befindlichen Wirtszellstämme (derzeit noch überwiegend E.-coli-Stämme) sind ebenfalls durch genetische Marker mit bestimmten absichtlichen Konstruktionsfehlern behaftet. Man könnte sie mit gezüchteten " Haustieren " ver­gleichen, weil sie durch ihre Defekte nur im Labormilieu existieren können und außerhalb des Labors sofort zugrunde gehen.

Klarerweise können weder die biologischen Sicherheitsmaßnahmen noch die Laborsicherheitsvorkehrungen eine  absolute Garantie dafür sein, dass es nicht doch irgendwie, irgendwann zu einem Unfall kommen könnte, bei dem gentechnologisch veränderte und überlebensfähige und beim Menschen krankheitserregende Mikroorganismen in die Umwelt gelangen.

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(10) Risiken der Gentechnologie

10.1 Missbrauchsmöglichkeiten bei der Genomanalyse

Es zeichnen sich zwei Schwerpunkte der Genomanalyse-Anwendung ab, die Gefahren in sich bergen. Zum einen die Anwendung der DNA-Analyse bei Arbeitnehmern, zum anderen bei der Einsetzung der DNA-Analyse zur pränatalen Untersuchung. Daneben kommt der DNA-Analyse auch im Strafverfahren Bedeutung zu. Da die Erbanlage eines jeden Menschen einmalig ist, bietet sich die DNA-Analyse als prinzipiell unverfälschbare Identifizierungsmethode an. Deshalb hat sich hierfür im strafrechtlichen Bereich bereits der Begriff "genetischer Fingerabdruck" eingebürgert.

Wenn man über die Folgen der Genomanalyse in der Arbeitswelt nachdenkt, ist zu bezweifeln, dass sie dort zu einer Verbesserung der gesundheitlichen Situation füh­ren wird. Eher wahrscheinlich scheint, dass mit Hilfe der Genomanalyse eine Verschärfung des gesundheitlichen Ausleseprozesses erfolgt. Wer aufgrund seiner genetischen Anlagen für bestimmte Stoffe oder Krankheiten anfällig erscheint, wird erst gar nicht eingestellt. So würde der Mensch zum zweitrangigen, jederzeit reproduzierbaren Produktionsfaktor; als solcher wäre er dem Gewinnstreben absolut untergeordnet. Dies bricht einen über Jahrzehnte hinweg bestehenden gesellschaftlichen Konsens, wonach ein Erkrankter wie in einem Netz aufgefangen wird. Ein "Hauptfaden" von diesem Netz ist sicher der Arbeitgeber, der im Falle der Krankheit Vergütungsfortzahlungen für den Arbeitnehmer zu leisten hat. Zukünftig wird die Versuchung groß sein, das Erkrankungsrisiko mit Hilfe der Gentechnologie den Arbeitnehmer allein tragen zu lassen. Ergibt die Genomanalyse eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit, erhält der betreffende Arbeitnehmer erst gar keinen Arbeitsplatz und wird mit seinem Erkrankungsrisiko allein gelassen. Es wäre verhängnisvoll, wenn Lebens- und Aufstiegschancen in der Arbeitswelt nach der genetischen Konstitution, an der er der Mensch selber ja unschuldig ist, vergeben würden.

Eine zweite nicht minder große Gefahr liegt darin, dass die Bemühungen nachlassen bzw. aufgegeben würden, schädliche Arbeitsstoffe und Umweltgifte zu vermeiden und stattdessen versucht würde, nur noch diejenigen Arbeitnehmer einzusetzen, die aufgrund ihrer genetischen Konstitution am widerstandsfähigsten erscheinen. Nicht die Verträglichkeit von Arbeitsstoffen und Arbeitsumgebungen für den Menschen würde geprüft, sondern die Verträglichkeit von Menschen auf schädliche Arbeits­stoffe und Arbeitsumgebungen. Anpassung des Menschen an die vergiftete Umwelt statt Sanierung der verschmutzten Umwelt kann und darf aber niemals eine gesellschaftspolitische Zielvorstellung sein.

Schließlich muss auf eine dritte Gefahr in diesem Bereich hingewiesen werden. Ist die komplette Genomanalyse erst einmal möglich, ist über den untersuchten Arbeitnehmer eine unvorstellbar große Datenmenge hinsichtlich aller genetischen Anlagen vorhanden. Dieses Datenreservoir ist praktisch das ganze Berufsleben des Arbeitnehmers nutzbar; es könnte ihm auf jeder beruflichen Station wie auch bei allen möglichen sonstigen Anlässen vorgehalten werden. Auf diese Art und Weise entsteht der "genetisch gläserne Mensch", dessen genetische Anlagen im Handumdrehen offengelegt werden kann. Wer also die vollständigen Ergebnisse einer Genom-Analyse vorliegen hat, verfügt über ein unvorstellbar großes Wissen über die genetisch bedingten Eigenschaften einer Person. Es leuchtet ein, welch ungeheure Macht mit diesem Wissen verbunden sein kann. Die Missbrauchsmöglichkeiten werden durch die Speicherung dieser Information in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen potenziert. Hier zeigt sich ganz deutlich die Wechselbeziehung zwischen Gen-und Datentechnik. Wie unterentwickelt der Daten­schutz hinsichtlich der Gesundheitsdaten im Betrieb schon ohne Gentechnik ist, zeigt die empi­rische Untersuchung von Prof. Wolfgang Kilian, wonach 41,8% von untersuchten Unternehmen in Deutschland Gesundheitsdaten, darunter auch Krankheitsbefund, Diagnose- und Therapiedaten, die nur dem Betriebsarzt zugänglich sein dürften, im zentralen Personalinformationssystem - mit der jederzeitigen Zugriffsmöglichkeit durch die Personalabteilung - gespeichert hatten.

10.2 Missbrauchsmöglichkeiten bei der pränatalen Diagnostik

Die pränatale Diagnostik ermöglicht die Diagnose genetischer Defekte des Embryos. Die Ergebnisse sollen eine Hilfestellung bei der Frage sein, ob eine Schwangerschaft ausgetragen werden soll oder nicht. Bereits gegenwärtig hat die pränatale Diagnostik einen erheblichen Stellenwert (Ultraschall, Fruchtwasseruntersuchung). Durch die Genomanalyse auf DNA-Ebene werden sich zukünftig erweiterte Möglich­keiten bieten, Erbkrankheiten festzustellen. Diese Anwendung bedeutet natürlich einen großen Fortschritt. Nicht zu übersehen sind jedoch die gerade hier bestehenden Missbrauchsmöglichkeiten. Denn die DNA-Analyse ist nicht auf schwere Erbleiden beschränkt. Möglich ist ebenso gut das Herausfinden von genetischen Anla­gen, die für wertvoll bzw. nicht wertvoll gehalten werden. So könnte die pränatale Genomanalyse zur Selektion von erwünschten, weil genetisch hochwertig, und zu unerwünschten, weil genetisch minderwertig, Kindern führen. Letztendlich wäre damit sogar eine auf einer Genhygiene aufbauende Rassenhygiene möglich. Dass es solche Überlegungen tatsächlich gibt, zeigt die Äußerung des US-Genetikers Bentley Glass aus dem Jahr 1971: "Kein Ehepaar wird in dieser Zukunft das Recht haben, die Gesellschaft mit einem mißgestalteten oder geistig unfähigen Kind zu belasten." Wer will sicher ausschließen, dass hierauf aufbauend nicht versucht würde, gezielte Aussonderung derjenigen zu betreiben, die in der Gesellschaft als andersartig gelten? So könnte beispielsweise die in der Kriminologie schon abgeschriebene Theorie vom "geborenen Verbrecher" hervorgezerrt und versucht werden, "kriminalitätserzeugende" Gene zu finden; und die entsprechenden Embryonen schlicht auszusortieren. Ebenso, wenn es um "abweichendes Sexualverhalten" geht.

Die Gefahren gehen aber auch dahin, dass Eltern eines Tages nach trivialen Gesichtspunkten eine Aussonderung vornehmen. Dass dies nicht in den Bereich der Phantasie gehört, zeigt die heutige Praxis in Indien und China: dort finden häufig Fruchtwasseruntersuchungen statt, mit dem Ziel, Geschlechtsselektion durchzuführen - weibliche Föten abzutreiben. Ferner besteht die Gefahr, dass die DNA-Analyse zu einer grundlegenden Änderung im Verhalten der Gesell­schaft führt. Gilt Behinde­rung heute als unabwendbares Schicksal, und wird es als Aufgabe der Gesellschaft verstanden, Behinderten zu helfen und sie zu integrieren, so kann durch die Gentechnik die Bereitschaft zunehmen, Behinderte als einen von den Eltern verschuldeten gesellschaftlichen Missstand anzusehen und das behinderte Leben als vermeid­bares unwertes Leben abzuqualifizieren. Zugleich erhöht sich der Druck auf das El­ternverhalten. Da Erbkrankheiten in vermehrtem Maße erkennbar sind, könnten sich Eltern zunehmend zur Genhygiene und zur Aussonderung bzw. Abtreibung genetisch geschädigter Embryos veranlasst sehen. Dies würde zu einer "Selektionsdiagnostik" führen, bei der Kinder "zurückgegeben" werden wie Sachge­genstände. Krankheiten würden geheilt werden, indem man Kranke vermeidet.

10.3 Missbrauchsmöglichkeiten bei der Gentherapie

Die Gentherapie lässt sich auf zwei Ebenen vollziehen. Es gibt die somatische Gentherapie und die Keimbahn-Therapie, bei der vom Menschen herbeigeführte genetische Veränderungen nicht nur bei dem Menschen, bei dem sie vorgenommen wurden, sondern auch bei dessen Nachkommen stattfinden. (Neue Lebensart!)

Die Anwendung der Keimbahn-Therapie wird heute beim Menschen (noch) strikt abgelehnt - derzeit wird sie "nur" bei Tierexperimenten angewendet.Doch wer weiß schon, wie weit uns die "Forschungsmanie" der Menschheit eines Tages bringen wird? Aber auch bei der somatischen Gentherapie könnte die Versuchung, nicht nur Erbkrankheiten zu bekämpfen, sondern auch bestimmte Eigenschaften zu züchten, sehr groß werden - der "manipulierte genetisch durchgeplante und -gestylte Mensch", der seiner auf genetischem Zufall beruhenden Individua­lität beraubt wäre, könnte Wirklichkeit werden. Noch mehr wird das zur Schreckensvision, wenn die Computertechnik als Mittel zur genetischen Konstruktion von Lebewesen eingesetzt würde. Dass dies nicht als völlig absurd abgetan werden darf, belegen die Äußerungen von Genetikern, etwa die, man müsse zur Verbesserung der genetischen Qualität des Menschen kommen, den durchschnittlichen Intelligenzquotienten steigern, und die schöpferischen Möglichkeiten der genetischen Verbesserung nutzen - der Mensch als Gott.

Es dürfen auch die Konsequenzen des Weges hin zur Gentherapie nicht außer Betracht gelassen werden. Eine praktische Umsetzung wird nur möglich sein, wenn Embryonen als verbrauchbares Forschungsmaterial gezüchtet und benützt werden dürfen. Ohne eine solche verbrauchende Embryonenforschung lässt sich eine praktische Umsetzung der Gentherapie nicht vorstellen.

10.4 Freisetzung genetisch manipulierter Organismen

Die Freisetzung gentechnisch manipulierter Organismen wird allgemein als bedenklich eingestuft. Ängste, neuartige Organismen gerieten außer Kontrolle und bedrohten Mensch und Umwelt, erhielten durch das Verhalten einiger Firmen zusätzliche Nahrung. So hatte zum Beispiel 1985 das kalifornische Unternehmen "Advanced Genetic Sciences", ein kleines Gentechnik-Labor in Oakland, ohne Erlaubnis im Freien mit veränderten Mikroben experimentiert. Es handelte sich dabei um Bakterien, die verschiedene Kulturpflanzen vor Frostschäden schützen sollen. Man wollte die Wirkung von Bakterien der Gattung Pseudomonas an 48 Obstbäumen untersuchen, die in Kübeln auf dem Dach des Firmengebäudes aufgestellt waren. Nach den Vorschriften der Behörde hätte das Obstbaum-Experiment, das als Vorversuch für den Antrag auf ein Freilandexperiment an Erdbeeren erforderlich war, unter definierten Bedingungen im Gewächshaus vorgenommen werden müssen. Ein Firmensprecher beteuerte, von einer Gefahr für die Umwelt könne nicht gesprochen werden, weil man die Bakterien schließlich direkt in das Holz gespritzt habe. Als das Vorhaben bekannt wurde und der Verdacht auf schuldige wissenschaftliche Arbeit aufkam, ja sogar von Fälschung von Ergebnissen gesprochen wurde, ordnete die zuständige Behörde von Monterey County ein vorläufiges Verbot an und bestand auf ordnungsgemäßen Vorversuchen im Gewächshaus.

Durch solche und ähnliche Vorfälle wird ersichtlich, dass auf die Selbstkontrolle der Industrie wenig Verlass ist. Die Freisetzungsexperimente nehmen weltweit zu.

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(11) Zusammenfassung

Der Beginn der modernen Genetik lässt sich mit der Entdeckung der Mendelschen Erbgesetze ansetzen. Ab dort nimmt die Entwicklung auf diesem Gebiet einen schnellen Lauf. Eine der Schlüsselentdeckungen war die Identifizierung der Desoxyribonukleinsäure (DNA); in ihr ist die gesamte genetische Information abgespeichert. Sie ist ihrem Zweck gemäß, die Erbinformation von der Mutterzelle an die Tochterzelle weiterzugeben, als in sich gewundene Doppelwendel konstruiert. Die DNA befindet sich bei den meisten Organismen in den Chromosomen, das sind fadenförmige Gebilde im Kern einer Zelle. Einzelne Abschnitte der Chromosomen nennt man Gene. Ein Gen ist für die Ausbildung eines Merkmals verantwortlich. Der grundlegende Vorgang in der Gentechnologie, das Einschmuggeln eines nach eigenem Wunsch gestalteten genetischen Befehls in eine Wirtszelle, ist keine Erfindung des Menschen. Seit Jahrmillionen bedienen sich die Viren und Bakterien Techniken (Konjugation, Transduktion, Transformation), um eigene DNA in fremde Zellen hineinzubringen. Nach diesen Prinzipien wird auch in der Gentechnologie gearbeitet - freilich nur mit Hilfe gentechnischer Werkzeuge, wie etwa den Restriktions-Enzymen, die gleich molekularen Scheren DNA-Stücke von gewünschter Größe zurechtschneiden können. Ein anderes gentechnisches Werkzeug ist das Enzym Ligase; es ist in der Lage, DNA-Moleküle aneinanderzuknüpfen - man könnte sie als "Gen- Klebstoff" bezeichnen. Die Kombination dieser beiden Enzyme bietet ein perfektes System um die Erbsubstanz-Moleküle neu zu kombinieren, und das ist ja das Ziel der Gentechnologie - gezielte Veränderung und Neukombination von genetischem Material.

Das wichtigste Anwendungsgebiet der Gentechnik liegt sicherlich in der Medizin. Mit gentechnologisch hergestellten Proteinen, rekombinanten Proteinen (Interferone, Interleukine, Impfstoffe), konnten schon einige Erfolge erzielt werden. Auch die Anwendung der Gentherapie als Behandlung von Krankheiten durch den Transfer von Genen in menschliche Zellen findet in der Medizin Anwendung. Mit Hilfe der Genomanalyse schließlich, können Erbkrankheiten, genetische Veranlagungen für bestimmte Krankheiten und Unverträglichkeiten gegenüber bestimmten Stoffen ermittelt werden, und zwar bereits im  vorgeburtlichen Stadium.

Anwendung findet die Gentechnik aber auch in der Landwirtschaft (Nutztier- und Pflanzen­zucht), wo es das oberste Ziel zu sein scheint, mit Hilfe der neuen Technik den Gewinn zu steigern, und in der Chemie und Technik.

Die internationalen Sicherheitsrichtlinien in der Gentechnologie umfassen zwei Kategorien von Sicherheitsmaßnahmen: Die Laborsicherheit und die biologische Sicherheit. Die Laborsicherheit beinhaltet mehrere Abstufungen, je nach dem Gefahrenpotential der Versuche. Die biologischen Sicherheitsvorkehrungen sollen sicherstellen, dass die vom Gentechnologen neukombinierte DNA sich nicht außerhalb des Labors ausbreiten kann.

Dass die Gentechnologie Gefahren in sich birgt, ist allgemein bekannt, beispielsweise sind die Missbrauchsmöglichkeiten der Genomanalyse (sowohl in der Arbeitswelt als auch in der pränatalen Diagnostik) nur allzu deutlich erkennbar. Auch die "falsche" Anwendung der Gentherapie, insbesondere in der Keimbahn, hätte fatale Folgen (der Mensch als Schöpfer). Sicherlich ist auch die Frage der Freisetzung von gentechnisch manipulierten Organismen ein Risikopunkt.

Roberta Okhovat, Rudolf Öller.
Frau Dr. Roberta Okhovat hat diese Arbeit als Matura-Fachbereichsarbeit geschrieben. Heute ist sie Ärztin mit Ausbildungsschwerpunkt Genetik und Gentechnik.
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