Die Gentechnik oder auch Gentechnologie ist ein Anwendungsbereich der Genetik. Methoden der Gentechnik haben das Ziel, Erbgut zu untersuchen, zu vervielfältigen oder zu verändern. Zur Ausübung der Gentechnik benötigt man entsprechende Werkzeuge. Eines dieser Werkzeuge sind die Enzyme der Gentechnik.
Enzyme Gentechnik: Überblick
Enzyme sind Proteine, welche in den Zellen von Organismen an einer Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen beteiligt sind. Hierbei dienen sie als Biokatalysatoren. Biokatalysatoren ermöglichen, dass Reaktionen schneller ablaufen bzw. stattfinden können.
Enzyme sind substrat- und wirkungsspezifisch. Das bedeutet, sie nehmen an einer bestimmten Reaktion teil und bringen nur ein bestimmtes Produkt hervor. Dementsprechend lassen sie sich gut als Werkzeug innerhalb der Gentechnik nutzen.
Es gibt ein weites Spektrum an unterschiedlichen Enzymen. In der Gentechnik werden Enzyme genutzt, welche an spezifischen Reaktionen mit der DNA beteiligt sind.
Die wichtigsten Enzyme der Gentechnik
Enzyme Gentechnik: Restriktionsenzyme
Restriktionsenzyme oder auch Restriktionsendonukleasen sind Enzyme, welche an doppelsträngiger DNA binden und diese schneiden. Restriktionsenzyme binden an spezifischen Erkennungssequenzen. Bei diesen Erkennungssequenzen handelt es sich um sogenannte Basenpaar-Palindrome. Diese sind kurze Sequenzen (5-8 Basenpaare), welche in einer Richtung exakt die identische Basenabfolge besitzen (Abbildung 1).
Unterschiedliche Restriktionsenzyme schneiden an unterschiedlichen Erkennungssequenzen. Restriktionsenzyme schneiden die DNA in den meisten Fällen asymmetrisch, wodurch eine für das jeweilige Enzym charakteristischer Doppelstrang mit überstehendem Einzelstrang entsteht (Abbildung 1). Diese charakteristischen Enden werden klebrige Enden genannt ("sticky ends"). Restriktionsenzyme sind fundamentale Werkzeuge, wenn es darum geht, fremde DNA in ein Erbgut eines Organismus einzubauen. So können Organismen gentechnisch verändert werden.
Abbildung 1: Wirkungsweise von Restriktionsenzymen. Darstellung des Restriktionsenzyms, der Erkennungssequenz (Basenpaar-Palindrom) und der klebrigen Enden (sticky ends)
Enzyme Gentechnik: Ligasen
Ligasen sind die Gegenspieler der Restriktionsenzyme. Während Restriktionsenzyme die DNA schneiden, fügen Ligasen DNA-Fragmente wieder zusammen. Ligasen ermöglichen es, auch DNA-Fragmente unterschiedlicher Arten miteinander zu verknüpfen.
Enzyme Gentechnik: DNA-Polymerasen
DNA-Polymerasen synthetisieren aus einsträngiger DNA doppelsträngige DNA. Für die Synthese eines DNA-Doppelstranges benötigen Polymerasen verfügbare DNA-Bausteine (Nukleotide), Startfragmente (Primer) und die zu replizierende einzelsträngige DNA. In der Gentechnologie werden DNA-Polymerasen genutzt, um DNA zu vervielfältigen (Polymerase-Kettenreaktion). Für viele Methoden der Gentechnik ist es essenziell, ausreichend genetisches Material zur Verfügung zu haben.
Enzyme Gentechnik: Reverse Transkriptase
Die Reverse Transkriptase (RNA-abhängige DNA-Polymerase) ist ein Enzym, welches ermöglicht, mRNA in doppelsträngige DNA umzuschreiben. Die entstehenden DNA-Fragmente sind Kopien des codierenden Genabschnitts und werden als cDNA (copy-DNA) bezeichnet. Die cDNA kann genutzt werden, um die Expression von Organismen zu analysieren. Des Weiteren können Eukaryotische Gene für Bakterien ablesbar und umsetzbar gemacht werden.
Woher stammen die Enzyme der Gentechnik?
Ursprung der Enzyme
DNA-Polymerasen spielen beispielsweise eine wichtige Rolle in der DNA-Replikation und in der Transkription. Der Ursprung der Enzyme der Gentechnologie liegt also in den Zellen von Organismen. In den meisten Fällen werden die Enzyme aus Mikroorganismen genutzt. Die Gentechnik macht sich die Eigenschaften der Mikroorganismen und dessen Enzyme zunutze. Ein Großteil der in der Gentechnik verwendeten Enzyme wird aus Bakterien und Viren isoliert.
Ein anschauliches Beispiel, wie sich die Gentechnik die Eigenschaften von Mikroorganismen und deren Enzyme zunutze macht, ist die Entdeckung und Nutzung der taq-DNA-Polymerase.
Die taq-DNA-Polymerase wurde erstmals im Jahr 1969 aus dem Bakterium Thermus aquaticus isoliert. Dieses Bakterium lebt in Umweltbedingungen um die 70 °C. Dadurch funktionieren die Enzyme dieses Bakteriums auch bei Temperaturen in diesem Bereich.
Für eine Vervielfältigung von DNA (Polymerase-Kettenreaktion) muss die doppelsträngige DNA in einzelsträngige DNA denaturiert werden. Die Denaturierung wird über das Erhitzen der DNA erreicht. In diesem Schritt würden die DNA-Polymerasen von den meisten Organismen ihre Funktionalität verlieren und eine Vervielfältigung wäre nicht möglich. Somit ermöglicht das hitzebeständige Enzym taq-DNA-Polymerase des Bakteriums Thermus aquaticus erstmals die gentechnische Vervielfältigung von genetischem Material.
Diese Methode wird Polymerase-Kettenreaktion (PCR) genannt.
Diese Entdeckung hat die Gentechnologie revolutioniert. Die taq-DNA-Polymerase ist bis heute ein viel verwendetes Enzym der Gentechnik.
Herstellung Enzyme
Zur Gewinnung der Enzyme müssen diese aus den Mikroorganismen isoliert werden. Hierfür nutzt man spezifische Eigenschaften der Enzyme. So wird beispielsweise die Löslichkeit in bestimmten Medien oder die Ladungen der Moleküle genutzt, um sie zu isolieren oder zu reinigen. Jedes Enzym benötigt hierbei sein eigenes Verfahren. Häufig müssen mehrere Schritte durchgeführt werden.
Enzyme Gentechnik: Verwendung
Der Anwendungsbereich der Gentechnik ist vielseitig und wird in verschiedene Bereiche eingeteilt.
- Die grüne Gentechnik beschäftigt sich mit dem Hervorbringen von gentechnisch veränderten Pflanzen.
- Innerhalb der roten Gentechnik werden gentechnische Methoden für medizinische und pharmazeutische Zwecke genutzt.
- Beim Einsatz gentechnisch veränderter Mikroorganismen, Zellkulturen oder Enzyme für die industrielle Herstellung verschiedener Produkte, spricht man von weißer Gentechnik.
In den meisten gentechnischen Verfahren müssen mehrere Schritte durchgeführt werden. Somit kommen die Enzyme der Gentechnik selten allein zum Einsatz. In den meisten Fällen werden mehrere Enzyme in Kombination mit anderen gentechnischen Werkzeugen genutzt. Im Folgenden findest du einen Überblick über mögliche Anwendungen anhand von konkreten Beispielen:
1. Enzyme in der Pharmazie
Viele Diabetiker sind auf Insulin angewiesen. Humaninsulin wird von der Pharmaindustrie gentechnisch hergestellt. Das menschliche Gen für Insulin wird in Zellen von Bakterien eingebracht. Man spricht von der Herstellung von transgenen Mikroorganismen. Transgene Organismen sind gentechnisch veränderte Organismen. Innerhalb der Zellen wird das menschliche Gen abgelesen und das Insulin wird von der Zelle produziert.
Das Insulin wird in Zellkulturen angereichert und anschließend isoliert. Zur genetischen Veränderung der Mikroorganismen werden Restriktionsenzyme und Ligasen zur Einbringung der Fremd-DNA benötigt. Die Reverse Transkriptase macht das menschliche Gen für das Bakterium ablesbar. Neben den genutzten Enzymen werden auch Plasmide (Vektoren) in diesem Verfahren genutzt.
2. Enzyme in der Kriminalistik
Bestimmt hast du schon mal einen Film oder eine Serie gesehen, in der aufgrund von DNA-Spuren ein Täter überführt wurde. Das ist möglich, da jede Person eine individuelle DNA und somit einen individuellen genetischen Fingerabdruck besitzt. Die Ausnahme sind hierbei eineiige Geschwister, welche identische DNA-Sequenzen teilen. In der Kriminalistik wird der genetische Fingerabdruck gentechnisch sichtbar gemacht. Hierfür wird das entsprechende genetische Material vervielfältigt, wobei DNA-Polymerasen zum Einsatz kommen.
Anschließend wird die gewonnene DNA durch Restriktionsenzyme an spezifischen Stellen geschnitten. In diesem Schritt entstehen für jeden Menschen individuell große DNA-Fragmente. Im letzten Schritt werden die DNA-Fragmente mithilfe des Verfahrens der DNA-Gelelektrophorese sichtbar gemacht. Nun kann dieser genetische Fingerabdruck zur Überprüfung der DNA-Spur genutzt werden.
3. Enzyme in der Lebensmittelherstellung
Die Lebensmittelindustrie setzt traditionell auf die Verwendung von Bakterienkulturen, Pilzen und deren Enzymen. So werden Bakterien und Pilze schon seit Jahrhunderten genutzt, um beispielsweise Bier zu brauen oder um Milch- und Käseprodukte herzustellen.
Heutzutage wird die Leistungsfähigkeit von Bakterien und Hefekulturen gentechnisch gesteigert, um diese für die Lebensmittelindustrie noch effizienter nutzen zu können. Solche genetisch veränderten Organismen werden zur Herstellung von Backwaren, Bier, Milch- und Käseprodukten, Vitaminen, Enzymen und Aromastoffen verwendet. In diesen Verfahren werden Restriktionsenzyme, Ligasen und Plasmide genutzt, um Fremd-DNA in die Organismen einzubringen. Durch die Fremd-DNA werden die Mikroorganismen zugunsten der Lebensmittelherstellung optimiert.
4. Enzyme in der Pflanzenzucht
Im Bereich der Pflanzenzucht werden gentechnisch veränderte Pflanzen hervorgebracht. Hierfür werden Gene in das Erbgut der Pflanzen integriert, welche die agrarwirtschaftlichen Merkmale der Pflanzen verbessern. Durch gentechnische Veränderung kann der Fraßschutz gegenüber Insekten gesteigert werden. Zudem kann der Ernteertrag der Pflanzen erhöht werden. Zur gentechnischen Veränderung der Pflanzen werden die Enzyme der Gentechnik benötigt.
Der Anwendungsbereich der Gentechnik und der entsprechenden Enzyme ist noch deutlich größer. Es werden immer neue Methoden entwickelt und neue nutzbare Enzyme entdeckt. Die Enzyme der Gentechnik, die du kennengelernt hast, finden in allen Bereichen der Gentechnik ihre Anwendung und sind deren fundamentalen Werkzeuge.
Enzyme Gentechnik - Das Wichtigste
- Methoden der Gentechnik haben das Ziel, Erbgut zu untersuchen, zu vervielfältigen oder zu verändern.
- Bestimmte Enzyme können als Werkzeuge der Gentechnik angesehen werden.
- Restriktionsenzyme zerschneiden DNA-Doppelstränge an bestimmten Erkennungssequenzen.
- Ligasen fügen DNA-Fragmente wieder zusammen.
- DNA-Polymerasen synthetisieren einen DNA-Doppelstrang aus einem DNA-Einzelstrang.
- Restriktionsenzyme und Ligasen ermöglichen den Einbau von Fremd-DNA in ein Erbgut.
- DNA-Polymerasen ermöglichen die Vervielfältigung von DNA.
- Enzyme werden häufig in Kombination mit anderen Werkzeugen der Gentechnik verwendet.
- Die Enzyme der Gentechnik werden häufig aus Mikroorganismen isoliert.
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