Gentechnik

Die Gentechnik beschreibt einen gezielten Eingriff in das genetische Material eines Organismus. Bei diesem Eingriff wird eine Veränderung an dessen DNA vorgenommen. Die Lebewesen, die dabei entstehen, werden als gentechnisch veränderte Organismen (kurz GVO) bezeichnet.

Arten der Gentechnik

Die Gentechnik wird in insgesamt fünf Kategorien unterteilt, welche unterschiedliche Anwendungsgebiete von gentechnischen Verfahren darstellen:

• rote Gentechnik
• grüne Gentechnik
• weiße Gentechnik
• blaue Gentechnik
• graue Gentechnik

Rote Gentechnik – Übersicht & Beispiele

Gentechnische Behandlung

Ein Anwendungsgebiet der Gentechnik liegt in der Entwicklung und Produktion von Medikamenten. Viele Wirkstoffe können, bedingt durch ihre strukturelle Komplexität, nicht synthetisch hergestellt werden. Dann kommt die Gentechnik zum Einsatz: Die DNA von Zellen wird gentechnisch so manipuliert, dass sie einen Wirkstoff produzieren. Ein Wirkstoff, der auf diese Art hergestellt wird, ist zum Beispiel Insulin.

Des Weiteren kann die Gentechnik zur Therapie von Erkrankungen, welche durch klassische Medikamente nicht behandelt werden können, verwendet werden. Beispielsweise werden derzeit gentechnische Verfahren entwickelt, welche eine gezielte Behandlung von Tumoren ermöglichen, ohne andere, gesunde Zellen anzugreifen.

Ein anderes experimentelles Verfahren, welches auf der Gentechnik basiert, ist das sogenannte Tissue Engineering. Dabei werden bestimmte Gewebe, beispielsweise Haut, Knochen oder ganze Organe, durch gentechnisch manipulierte Zellen künstlich hergestellt und können medizinisch eingesetzt werden. So können beispielsweise Hautstücke ersetzt werden, die durch eine Verletzung irreparabel beschädigt wurden.

Auch Impfstoffe können auf Gentechnik basieren. Dazu gehören zum Beispiel mRNA-Impfstoffe.

Grüne Gentechnik – Übersicht & Anwendung

Das Ziel der grünen Gentechnik liegt zum einen darin, die Eigenschaften einer Pflanze dahingehend zu verändern, dass sie besser vor Umwelteinflüssen geschützt ist. So werden sie etwa resistenter gegen Fressfeinde wie Insekten gemacht oder so manipuliert, dass sie weniger anfällig für Herbizide sind.

Durch gentechnische Veränderung von Pflanzen können diese auch vor weiteren Einflüssen geschützt werden. Mit dem Einfügen von Resistenzgenen in das Genom der Pflanze werden Unempfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Mikroorganismen wie Viren, Bakterien oder Pilzen gefördert. Außerdem können Pflanzen durch Gentechnik weniger empfindlich für Temperaturen und Trockenheit gemacht werden. Auch dies steigert den Gesamtertrag der Ernte.

Die zweite Zielstellung der grünen Gentechnik liegt in der Optimierung von pflanzlichen Produkten für den Markt beziehungsweise das Auge der Konsument*innen. Durch gentechnische Veränderungen werden Obst- und Gemüsesorten an verschiedenen Faktoren angepasst. Beispielsweise können Nährstoffgehalte gentechnisch erhöht oder Allergene entfernt werden.

Weiße Gentechnik – Übersicht & Anwendung

Chemische Industrie

In der chemischen Industrie wird die weiße Gentechnik angewendet, um die Produktion umweltfreundlicher und weniger energieaufwendig zu machen. Dafür werden Enzyme angewendet, welche durch gentechnische Veränderung der DNA von Zellen gewonnen werden. Diese Enzyme werden als Biokatalysatoren bezeichnet.

Produkte, die mithilfe der weißen Gentechnik chemisch hergestellt werden, sind beispielsweise Medikamente, Reinigungsmittel, Pflegeprodukte und Dünger.

Eine weitere gentechnische Anwendung in der chemischen Industrie ist die Produktion von biologischen Kraftstoffen. Diese experimentelle Technik soll eines Tages ermöglichen, dass Kraftstoffe durch gentechnisch veränderte Zellen hergestellt werden. Das Ergebnis sind umweltfreundlichere Treibstoffe, deren Produktion nicht länger von Erdöl abhängig ist.

Lebensmittelindustrie

Auch bei der Produktion von Lebensmitteln kommt die weiße Gentechnik zum Einsatz. Enzyme sorgen besonders bei Fertigprodukten für ein appetitliches Erscheinungsbild und eine längere Haltbarkeit.

Textilindustrie

In der Textilindustrie wird sowohl weiße als auch grüne Gentechnik angewandt. Baumwollpflanzen sind oftmals gentechnisch verändert, um den Ertrag zu steigern. Bei der eigentlichen Produktion von Stoffen und Kleidungsstücken kommen dann gentechnisch produzierte Enzyme zum Einsatz, die beispielweise den klassischen Stone-Wash in Jeanshosen bringen, indem sie die blaue Färbung zersetzen.

Graue Gentechnik – Übersicht & Beispiele

Wasseraufbereitung

Die Abwasserreinigung in Kläranlagen läuft über mehrere Stufen hinweg ab. Eine dieser Stufen ist die biologische Reinigung. Dazu wird das Abwasser in ein Becken eingeleitet, in welchem Mikroorganismen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen durch Verstoffwechselung in Biomasse umwandeln. Diese kann später leicht von dem gereinigten Wasser entfernt werden. Die eingesetzten Mikroorganismen sind oftmals gentechnisch verändert, um den Vorgang effizienter zu machen.

Beseitigung von Kontaminationen

Durch den enormen Schiffsverkehr auf den Weltmeeren kommt es immer wieder zu Unglücken, bei denen große Mengen Öl in das Wasser gelangt. Dies hat enorme Folgen auf Pflanzen und Tiere.

Gentechnisch veränderte Ölfresser-Bakterien können Kohlenstoffverbindungen aufbrechen und so das ausgetretene Öl abbauen, wodurch die Verschmutzung beseitigt wird.

Auch das Erdreich kann durch verschiedene Substanzen wie Schwermetalle, beispielsweise Quecksilber kontaminiert werden. Um solche Kontaminationen einzudämmen, werden Pflanzenarten mithilfe der Biotechnologie gentechnisch so verändert, dass sie Schwermetalle aus dem Boden aufnehmen und ihn so entgiften.

Blaue Gentechnik – Übersicht & Beispiele

Anders als bei den anderen Typen der Gentechnik wird im Bereich der blauen Gentechnik noch sehr viel geforscht und wenig angewendet. Viele Ideen und gentechnische Verfahren sind experimentell und werden aktuell getestet. Es zeichnet sich jedoch ab, dass diese Art der Gentechnologie über reichlich Potenzial verfügt.

Anwendungsgebiete der blauen Gentechnik liegen beispielsweise in der Lebensmittelproduktion. Fische können gentechnisch so verändert werden, dass sie schneller wachsen und somit schneller verarbeitet und verkauft werden können.

Außerdem sind Algen und Cyanobakterien sehr vielversprechende Forschungsobjekte für die Energie- und Treibstoffproduktion auf Basis der Biotechnologie. Aus ihnen gewonnene Bio-Kraftstoffe könnten schon bald die heute vorherrschenden klassischen Kraftstoffe ablösen.

Gentechnik – gentechnische Verfahren

Damit die gentechnische Veränderung eines Organismus durchgeführt werden kann, müssen einige grundlegende Operationen ausgeführt werden. Dreh- und Angelpunkt ist hier die DNA eines Organismus. Diese muss zunächst isoliert, dann verändert und letztlich wieder in einen Organismus eingebracht werden.

Isolation der DNA – Gentechnik

Um einen Transfer von Genabschnitten zu ermöglichen, müssen diese Genabschnitte zuerst von der restlichen DNA getrennt werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Isolation. Sogenannte Restriktionsenzyme "schneiden" den Genabschnitt aus dem DNA-Strang heraus.

Dieser Prozess wird sowohl an der Spender-DNA als auch an der DNA durchgeführt, in die der Genabschnitt eingesetzt wird.

Rekombination der DNA – Gentechnik

Der nächste Schritt während des Gentransfers ist die Rekombination. Dabei wird der gewünschte DNA-Abschnitt in ein anderes DNA-Molekül eingesetzt und an den sticky ends mit diesem verknüpft. Das andere DNA-Molekül ist oft ein ringförmiges Plasmid, das leicht in Bakterien eingebracht werden kann. Das Enzym Ligase verbindet die Fragmente miteinander.

Abbildung 1: Sticky Ends

Gentransfer – Gentechnik

Der letzte Schritt der gentechnischen Veränderung ist die Zellvermehrung. Die Bakterien, welche selektiert wurden, werden in diesem Schritt vermehrt und können im Folgenden ihre neue Aufgabe ausführen.

Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Produktion von Insulin für den medizinischen Gebrauch angewendet. Dafür wird das Gen, welches für Insulin, das in den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse produziert wird, codiert, in die Plasmide von Bakterien eingesetzt. Diese stellen nun Insulin her, welches Patient*innen mit einer Diabetes-Erkrankung verabreicht werden kann.

Abbildung 2: Schematischer Ablauf des Gentransfers über Plasmide

Gentechnik – Klonen

Grundlegender Ablauf – Gentechnik

Jeder Versuch, eine Zelle, ein Gewebe oder einen ganzen Organismus zu klonen, läuft nach dem gleichen Prinzip ab. Zunächst wird der Zellkern einer Körperzelle der zu klonenden Struktur entfernt. Damit erhält man deren gesamte DNA. Außerdem wird der Kern einer unbefruchteten Eizelle entnommen.

Im Folgenden wird der zuvor entnommene Zellkern in die entkernte Eizelle eingepflanzt. Diese wird dann chemisch oder elektrisch zur Zellteilung angeregt.

An diesem Punkt anknüpfend wird in zwei verschiedene Arten des Klonens differenziert: das therapeutische und das reproduktive Klonen.

Therapeutisches Klonen

Beim therapeutischen Klonen wird die Zellteilung schon nach wenigen Teilungsprozessen beendet und der entstehende Embryo abgetötet. Die dabei entstandenen Stammzellen dienen dann als Ausgangszellen, aus welchen Gewebe oder sogar ganze Organe gezüchtet werden können.

Dies ist möglich, da Stammzellen noch nicht differenziert sind und aus ihnen jedes erdenkliche Gewebe entstehen kann. Genau dieses Phänomen macht sich das therapeutische Klonen zunutze. Forschende wollen mit dieser Methode in Zukunft ermöglichen, dass Organe aus körpereigenen Stammzellen hergestellt werden können. Sollte ein Spenderorgan benötigt werden, kann dies herangezüchtet werden. Außerdem wäre die Wahrscheinlichkeit, dass das Organ abgestoßen wird, bedeutend geringer.

Reproduktives Klonen

Das reproduktive Klonen dagegen ist dadurch geprägt, dass die Embryonalentwicklung vollständig abläuft. Nach Beginn dieser Entwicklung wird die Eizelle in die Gebärmutter einer Leihmutter implantiert, welche den Klon austrägt und später zur Welt bringt.

Ziel dieses Verfahrens ist, genetisch identische Nachkommen zu produzieren. Das wahrscheinlich bekannteste Beispiel dafür ist das Schaf Dolly. Es ist das erste Säugetier, das jemals erfolgreich geklont wurde.

Durch das reproduktive Klonen können theoretisch auch Menschen geklont werden. Dies ist allerdings, wie das therapeutische Klonen auch, derzeit aus moralischen und ethischen Gründen per Gesetz verboten.

Gentechnik – Vor & Nachteile

Die Gentechnik spielt eine immer größere Rolle im Alltag. Ohne sie könnte unser Wasser nicht aufbereitet werden und viele Krankheiten wären nicht behandelbar. Trotzdem gibt es auch Argumente, die gegen den Einsatz der Gentechnik sprechen, etwa, weil moralische Bedenken auftreten.

Gentechnik Vorteile

Innerhalb jeder Sparte der Gentechnik gibt es Argumente, welche für den Einsatz von Gentechnik sprechen.

Rote Gentechnik

• Gentechnik erlaubt die frühe Diagnose von Erkrankungen, auch vor der Geburt.
• Durch gentechnische Verfahren können viele Erkrankungen (erstmals) therapiert werden.
  • z. B. Insulinproduktion durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen.
• In Zukunft könnten durch gentechnische Verfahren wie das Klonen noch mehr Erkrankungen therapiert werden.
  • z. B. Züchtung von Organen aus Stammzellen.

Grüne und Blaue Gentechnik

• Resistentere Pflanzen benötigen weniger Pflanzenschutzmittel ➝ weniger umweltschädlich.
• Pflanzen sind resistent gegen Herbizide ➝ Herbizide können ohne Sorge eingesetzt und Unkraut besser beseitigt werden.
• Schneller wachsende und größere Fische und Pflanzen erzielen mehr Profit.
• Resistentere Pflanzen können auch in Gegenden mit schwierigen Bedingungen wie Trockenheit wachsen.➝ Waffe im Kampf gegen Hunger in der Welt.

Weiße und Graue Gentechnik

• Schnelle Erfolge durch einfache Produktion von gentechnisch veränderten Mikroorganismen.➝ Dadurch werden Kosten und Zeit eingespart.
• Durch gentechnisch veränderte Organismen wie ölfressende Bakterien kann die Umwelt vor einigen Katastrophen bewahrt werden.

Gentechnik Nachteile

Gleichzeitig lassen sich Argumente finden, welche den Einsatz der Gentechnik negativ einordnen.

Rote Gentechnik

• Moralische Fragestellungen
  • wie weit darf der Mensch in sein eigenes Fortbestehen eingreifen und dieses lenken?
  • Beispiel: Beeinträchtigungen können früh erkannt werden und das Potential, dass Kinder mit Beeinträchtigungen bewusst abgetrieben werden, ist höher.
• Viele pränatale, diagnostische Verfahren sind in einer frühen Entwicklungsphase und daher risikoreich.
• Gentechnische Diagnostiken und Behandlungen sind oft kostenintensiv und aufwendig➝ Frage nach dem Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen.

Grüne und Blaue Gentechnik

• Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen (GVO).
  • Werden gentechnisch veränderte Organismen in die Natur entlassen, können sie sich mit nicht-GVO kreuzen und das veränderte Merkmal verbreitet sich unkontrolliert.
  • So kann es vorkommen, dass Konsument*innen unbewusst Lebensmittel zu sich nehmen, welche gentechnisch veränderte Pflanzen/Fische beinhalten.

• Schädlinge entwickeln Resistenzen gegen Genmodifikationen (primär bei Pflanzen).
  • Dadurch müssen neue gentechnisch veränderte Pflanzen entwickelt werden und ein ewiger Kreislauf entsteht.
• Gentechnisch induzierte Insektizide schädigen auch nützliche Insekten.

Weiße und Graue Gentechnik

• Langzeitfolgen des Einsatzes von gentechnisch veränderten Mikroorganismen können nicht abgeschätzt werden.
• Produkte, welche mithilfe von gentechnisch veränderten Organismen produziert wurden, werden oftmals nicht ausreichend gekennzeichnet.➝ Verbraucher*innen werden skeptisch und vertrauen auf andere Produkte.