Rechtliche und ethische Fragen der Biotechnologie: Was ist Biotechnik? - Naturwissenschaftliche Grundlagen der Bio- und Gentechnik

Gliederung

1 Gegenstand der Bio- und Gentechnik
1.1 Biotechnik
1.2 Gentechnik
1.3 Anwendungsgebiete biotechnologischer Verfahren (mit und ohne Gentechnik)
1.3.1 Biotechnik mit Mikroorganismen
1.3.2 Biotechnik mit Tieren und Tierzellen
1.3.3 Biotechnik mit Pflanzen und Pflanzenzellen

2 Die genetische Information
2.1 Speicherung der genetischen Information
2.1.1 Struktur
2.1.2 Prinzip der Informationsspeicherung
2.2 Realisierung der genetischen Information
2.2.1 Transkription
2.2.2 Translation
2.2.2.1 Der genetische Code
2.2.2.2 Vorgang der Translation
2.2.3 Steuerung der Genaktivität

3 Gentechnische Verfahren
3.1 Identifikation einer bestimmten DNS-Sequenz
3.2 Sequenzierung eines DNS-Abschnitts
3.2.1 Herstellen definierter Bruchstücke mit Restriktionsendonucleasen
3.2.2 Separierung der Bruchstücke und Sequenzierung
3.3 DNS-Rekombinationstechnik mit Vektoren
3.3.1 Vektoren für die Übertragung der Fremd-DNS
3.3.1.1 Plasmide
3.3.1.1.1 Plasmide als Klonierungsvektoren in Bakterien
3.3.1.1.2 Plasmide als Klonierungsvektor in Pflanzenzellen
3.3.1.2 Viren
3.3.1.2.1 Viren als Klonierungsvektoren in Bakterien
3.3.1.2.2 Viren als Klonierungsvektoren für tierische Zellen
3.4 Erzeugung transgener Organismen mit Mikroinjektion
3.4.1 DNA-Mikroinjektion
3.4.2 Mikroinjektion gentechnisch veränderter embryonaler Stammzellen
3.5 Zellhybridisierung (Zellfusion)
3.6 Gentechnik am Menschen
3.6.1 Keimbahntherapie
3.6.2 Somatische Gentherapie
3.6.2.1 Ex-vivo-Gentherapie
3.6.2.2 In-vivo-Gentherapie
3.6.2.3 Antisense-Therapie

A Anhang

A.1 Struktur der DNS/RNS

A.2 DNS-Doppelstrang

A.3 Transkription (schematisch)

A.4 tRNS (schematisch)

A.5 Translation

A.6 Identifikation eines DNS-Abschnitts

A.7 Restriktionsendonucleasen

A.8 Sequenzanalyse

A.9 DNS-Rekombinationstechnik (Überblick)

A.10 Plasmid pBR 322

A.11 Klonierung einer Phagen-DNS

1 Gegenstand der Bio- und Gentechnik

Biotechnologie wird heute als Schlüsseltechnologie¹ oder auch Leitwissenschaft des 21. Jahrhunderts² angesehen, obwohl sie ihren Ursprung in Verfahren hat, die sich der Mensch schon seit langem zunut- ze macht. So wurde bereits 3000 v. Chr. Essig und Alkohol mit Hilfe von Mikroorganismen herge- stellt. Durch die Erkenntnis, daß an diesen Prozessen Mikroorganismen mitwirken, durch die Hinzu- ziehung anderer Wissenschaftsbereiche und der Entwicklung der Gentechnik konnte das Anwendungs- feld der Biotechnologie beträchtlich erweitert werden. Biotechnik (Biotechnologie) und Gentechnik (Gentechnologie) werden oftmals als Synonyme gebraucht, was jedoch nicht zutreffend ist³. Daher sollen im folgenden zunächst beide Begriffe definiert und eine Abgrenzung vorgenommen werden.

1.1 Biotechnik

Der Begriff Biotechnologie wurde erstmals von EREKY 1917 definiert als die Gesamtheit der Tätig- keitsbereiche, bei denen mit Hilfe von Lebewesen Produkte aus Rohmaterialien hergestellt werden⁴. Eine gewisse Erweiterung erfährt diese Definition durch die Möglichkeit des Aufbaus neuer Stoffe und die Spezifizierung der „Tätigkeitsbereiche“ als technische Verfahren; danach versteht man unter Bio- technik bzw. Biotechnologie technische Verfahren, in denen Mikrobenzellen, Pflanzenzellen oder Tierzellen Substanzen aufbauen, abbauen oder umbauen⁵. Ähnlich lautende Formulierungen beschrei- ben Biotechnik als den Einsatz biologischer Systeme im Rahmen technischer Prozesse und industriel- ler Produktion bzw. als den gezielten und bewußten Einsatz von biologischen Systemen (Mikroben, Pflanzenzellen, Tierzellen) und deren Bestandteilen im technologischen Prozeß⁶ mit dem Ziel der Pro- duktsynthese und Stoffumwandlung⁷. Der biotechnologische Prozeß besteht also zum einen aus den Stoffwechselvorgängen im Bioreaktor Zelle, zum anderen aus der Nutzung dieser Vorgänge im techni- schen Maßstab unter interdiszipinärem Zusammenwirken verschiedener Fachrichtungen⁸. Klassische biotechnologische Prozesse waren dem Menschen bereits vor 8000 Jahren bekannt. Zu diesen gehören (1) die alkoholische Gärung mit Hilfe von Hefezellen, (2) die Milchsäuregärung durch Bakterien so- wie (3) der Vorgang des Sauerwerdens unter dem Einfluß von Essigsäurebakterien⁹:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der modernen Biotechnologie werden die Leistungen der biologischen Systeme durch deren Einsatz in technischen Systemen nutzbar gemacht. Dabei werden die Stoffwechselleistungen optimiert bzw. modifiziert und Mikroorganismen in Großkultur gehalten¹⁰. Die Modifizierung erfolgt durch Veränderungen der Regulationsmechanismen der Zelle mit dem Ziel, daß die gewünschte Substanz in einer über das Normalmaß hinausgehenden Menge produziert wird. Dies geschieht klassisch durch Mutation und chemische Veränderung der Zellumgebung oder der Zellmembran. Darüber hinaus stellt die Gentechnik der Biotechnik neue Werkzeuge und Verfahren zur Verfügung.

1.2 Gentechnik

Wie bereits ausgeführt, bedient sich die Biotechnologie der Erkenntnisse verschiedener Fachrichtun- gen, um den biotechnologischen Prozeß zu optimieren. Im Bereich der Produktion von Stoffen geht es dabei um die Züchtung solcher Kulturen, die den Stoff in möglichst großer Menge produzieren. Klas- sisch wird dies mit den Methoden der Stammselektion, Mutation und Kreuzung erreicht¹¹, die Gegens- tand der traditionellen Genetik sind. Diese Methoden sind dadurch gekennzeichnet, daß man nur durch Beobachtung des Phänotyps auf den Genotyp schließen kann (MENDELsche Gesetze). Aus der Er- kenntnis, daß alle Leistungsmerkmale eines biologischen Systems strukturell, funktionell und im zeit- lichen Ablauf Ausdruck der Erbinformation sind, ergab sich das Interesse, diese Erbinformationen zu analysieren und zu modifizieren, um in dem betreffenden Organismus gezielt eine gewünschte Eigen- schaft zu verstärken (was sonst nur aufwendig durch die klassischen Verfahren möglich war) und ihm darüber hinaus auch neue Synthesefähigkeiten zu verleihen. So ist die Produktion von Insulin in Bak- terien wie E. coli das Ergebnis der Aufklärung der genetischen Codierung der Insulinproduktion im Menschen einerseits und des Eingriffs in den genetischen Bestand des Bakteriums andererseits. Die dabei angewandten Methoden werden als gentechnische Verfahren bezeichnet, welche an späterer Stelle erläutert werden.

Allgemein ist Gentechnik zu definieren als die Gesamtheit der Methoden zur Charakterisierung und Isolierung des genetischen Materials, zur Bildung neuer Kombinationen sowie die Wiedereinführung des neu kombinierten Materials in einer anderen biologischen Umgebung¹². Im Ergebnis entsteht ein gentechnisch veränderter Organismus (GVO).

Somit ist festzustellen, daß Gentechnologie ein Instrument der Biotechnologie ist, mit dessen Hilfe die Erbinformation determiniert verändert wird. Alle Prozesse, durch welche eine Veränderung der geneti- schen Information nicht durch direkten Zugriff auf die Erbsubstanz erfolgt, gehören nicht zur Gen- technik. Dieser Unterscheidung folgt auch der Anwendungsbereich des GenTG in § 3 Nr. 3 GenTG auf dreierlei Weise:

- § 3 Nr. 3 S. 1: GVO ist gegeben, wenn genetisches Material in einer Weise verändert wird, wie es unter natürlichen Bedingungen nicht möglich ist (abstrakte Definition des GVO)
- § 3 Nr. 3 S. 2: beispielhafte¹³ Aufzählung von Verfahren, die zu einem GVO führen
- § 3 Nr. 3 S. 3, 4: Aufzählung von Verfahren, die nicht zu einem GVO führen

Die Beschränkung des Regelungsbereiches im GenTG auf GVO und die Strafbarkeit bei Veränderung des menschlichen Erbguts entsprechend der Bestimmungen des EschG zeigen, daß biotechnologische Arbeiten, die sich gentechnischer Methoden bedienen, eine besondere Problematik aufweisen. Daher soll nach einer kurzen Übersicht über biotechnologische Verfahren untersucht werden, was Gentech- nik aus naturwissenschaftlicher Sicht ausmacht. Dazu werden zunächst die biologischen Grundlagen für die Speicherung und Realisierung der Erbinformation skizziert, sodann erfolgt eine Darstellung der gentechnischen Verfahren. Abschließend soll die Anwendung der Gentechnik auf den Menschen be- trachtet werden.

1.3 Anwendungsgebiete biotechnologischer Verfahren (mit und ohne Gentechnik)

1.3.1 Biotechnik mit Mikroorganismen

Zu den Verfahren, bei denen durch Mikroorganismen Stoffe auf- bzw. umgebaut werden, gehören:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daneben ist auch der Mikroorganismus als Gesamtheit von Interesse:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^{14 15 16 17 18 19 20 21 22}

1.3.2 Biotechnik mit Tieren und Tierzellen

Bei tierischen Organismen geht es zum einen um die biotechnologische Nutzung der einzelne Zelle in einer Zellkultur, zum anderen um die Modifikation des Gesamtorganismus, damit dieser eine bestimmte Eigenschaft mehr oder weníger ausprägt bzw. neu hinzugewinnt. Diese Veränderungen werden durch Modifikation der Erbanlagen erreicht, man spricht dann von transgenen Tieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^{23 24 25 26 27 28}

1.3.3 Biotechnik mit Pflanzen und Pflanzenzellen

Die Anwendung bio- und gentechnologischer Verfahren bei Pflanzen hat stets das Ziel, die Eigen- schaft der gesamten Pflanze zu verändern. Dazu gehören die Ertragssteigerung bei Nutzpflanzen, Ge- schmacksverbesserung, Erhöhung des Proteingehaltes und Ausbildung von bestimmten Resistenzen.

2 Die genetische Information

2.1 Speicherung der genetischen Information

Seit 1944 ist durch die Arbeiten von AVERY, McLEOD und McCARTY²⁹ bekannt, daß die genetische Information in jeder Zelle in der chemischen Struktur der Desoxyribonucleinsäure (DNS bzw. DNA) gespeichert ist. Diese befindet sich bei Prokaryoten (stets einzellig: Bakterien) im Kernäquivalent, bei Eukaryoten (einzellig: z.B. Pilze oder mehrzellig: Pflanzen, Tiere) im Zellkern. Bei Bakterien gibt es zusätzlich außerhalb des Kernäquivalents ringförmige DNS-Strukturen, die sogenannten Plasmide.³⁰

2.1.1 Struktur

DNS ist ein Makromolekül aus einzelnen Nucleotiden, die aus einem Zuckerbaustein (Pentose (Deso- xyribose)), einer am 1‘-C-Atom befestigten Base und einem am 5‘-C-Atom befindlichen Phosphatrest bestehen. Die einzelnen Nucleotide sind über den Phosphatrest mit dem 3‘-C-Atom des nächsten Nuc- leotids verknüpft. In der DNS kommen 4 verschiedene Basen vor: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C). Die Sequenz dieser Basen ist der eigentliche Träger der genetischen Information. Ein Ausschnitt eines solchen Stranges ist in A.1 dargestellt. Wie WATSON und CRICK 1953 zeig- ten³¹, liegt die DNS in der Zelle als gewundener Doppelstrang (siehe dazu A.2) vor. Dabei bilden sich zwischen gegenüberliegenden Basen der einzelnen Stränge Wasserstoff-Brückenbindungen aus. Sol- che Paarungen können sich nur zwischen Adenin und Thymin (2 Wasserstoffbrücken) sowie zwischen Guanin und Cytosin (3 Wasserstoffbrücken) ausbilden (komplementäre Basenpaare). Somit sind die beiden Einzelstränge komplementär zueinander; kennt man die Basensequenz des einen Stranges, kann man nach dem Gesetz der komplementären Basenpaarung die Sequenz des anderen Stranges bestim- men.

2.1.2 Prinzip der Informationsspeicherung

Die Speicherung eines Merkmals auf der DNS wird als Gen bezeichnet. Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf der DNS, also eine bestimmte Sequenz der 4 Basen. Die Ausprägung eines Merkmals heißt Allel. Der genspezifische DNS-Abschnitt trägt die Information für die Bildung eines bestimmten Proteins (Eiweißes)³². Proteine sind die für den Organismus struktur- und funktionsbestimmenden Stoffe. So gibt es sie als Strukturproteine, die für die Stabilität der Gewebe sorgen, als Transportprote- ine in Gestalt des Hämoglobins, als zentraler Bestandteil des Immunsystems (Immunglobuline), als Signalstoffe (z.B. das Hormon Insulin), als Biokatalysatoren in Gestalt der Enzyme und als bewe- gungsauslösende Strukturelemente der Muskelzellen. Zwischen den einzelnen Genen befinden sich sog. Spacer, dies sind DNS-Abschnitte, die keine Information tragen. Lediglich bei Eukaryoten und Viren treten innerhalb des Gens Abschnitte auf, die keine Information tragen (sog. Introns)³³. Die DNS des Menschen enthält etwa 3.10⁹ Basenpaare (Bp), auf der etwa 100000 Gene lokalisiert sind. Dabei weisen nur etwa 1% der Basenpaare Variabilitäten zwischen einzelnen Individuen auf³⁴. Große Anstrengungen werden unternommen, um die vollständige Basensequenz der DNS zu ermitteln. Bisher (Frühjahr 1998) sind etwa 170 Millionen Basenpaare bekannt, eine vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms soll bis 2005 abgeschlossen sein³⁵. Die Genome von Mikroorganismen, wie das von dem in der Gentechnik oft eingesetzten Bakterium E.coli, sind bereits vollständig bekannt³⁶.

2.2 Realisierung der genetischen Information

Wie bereits angedeutet, speichert die DNS die Information zur Proteinsynthese. Es muß also eine Umsetzung der Basensequenz der DNS, die das zu exprimierende Gen trägt, in eine Sequenz aus Aminosäuren, aus derer sich das Protein zusammensetzt, erfolgen.³⁷

2.2.1 Transkription

Zunächst wird von der DNS eine Kopie des entsprechenden Gens in Gestalt eines mRNS³⁸ -Moleküls hergestellt. RNS ist ein einzelsträngiges Makromolekül, welches wie ein DNS-Strang aufgebaut ist, wobei zwei strukturelle Modifikationen erfolgen: Zum einen wird die Base Thymin durch die (in ihrer Funktion gleichwertige) Base Urazil (U) ersetzt, zum anderen wird der Zucker Desoxyribose durch Ribose ersetzt (siehe dazu die Darstellung in A.1) Die Transkription, d.h. die Umschreibung des DNS- Abschnitts in einen (neu zu bildenen) RNS-Strang, läuft folgendermaßen ab (vergleiche dazu die Dar- stellung in A.3)

(1) Die DNS wird enzymatisch (RNS-Polymerase) an einer Stelle vor dem Gen, der sogenannten Pro- motorregion, entspiralisiert. An dieser Stelle ist die Polymerase befähigt, sich an die DNS zu bin- den.
(2) An der entspiralisierten Stelle der DNS wird nach dem Gesetz der komplementären Basenpaarung ein neuer Nucleotidstrang gebildet mit einer Basenfolge, die komplementär zu derjenigen des Ma- tritzenstranges ist. Der Matritzenstrang ist derjenige, der in der Transkriptionsrichtung in 3‘-5‘- Richtung läuft. Im Verlaufe der Transkription öffnet die Polymerase den DNS-Strang in Tran- skriptionsrichtung weiter und schließt ihn im Bereich des bereits transkribierten Abschnitts. Der stetig wachsende RNS-Strang verläßt nach erfolgter Synthese die Polymerase.
(3) Die Transkription wird durch Ablösen der Polymerase von der DNS beendet.
(4) Nur bei Eukaryoten: Wie bereits erwähnt, enthält die DNS innerhalb eines Gens Abschnitte, die keine Information tragen, jedoch durch die Transkription auch auf die mRNS übertragen werden. Diese Abschnitte werden nach der Transkription entfernt (Spleißen).
(5) Der modifizierte mRNS-Strang verläßt (bei Eukaryoten) den Zellkern in das Zytoplasma. Seine Basensequenz enthält nun die lückenlose Codierung der Aminosäuresequenz.³⁹

2.2.2 Translation

Translation bedeutet die Übersetzung der Basensequenz der mRNS in eine Aminosäuresequenz des zu synthetisierenden Proteins. Die Zuordnungsvorschrift Basensequenz-Aminosäure heißt genetischer Code.

2.2.2.1 Der genetische Code

An der Bildung von Proteinen sind 20 Aminosäuren (proteinogene Aminosäuren) beteiligt, welche durch 4 codierende Zeichen (nämlich die 4 Basen der mRNS) dargestellt werden müssen. Daher kann nur eine Folge von Basen eine Aminosäure codieren. Bei einer Folge von 2 Basen gäbe es 4² = 16 Codierungsmöglichkeiten, also muß eine Folge von 3 Basen (4³ = 64) eine Aminosäure codieren (Triplettcode), dabei wird ein Basentriplett auch als Kodon bezeichnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wesentliche Merkmale sind:

- Der gen. Code ist universell: Die Codierung gilt für alle Pro- und Eukaryoten gleichermaßen. Dies ermöglicht es beispielsweise, menschliche Gene in Mikroorganismen zu exprimieren.
- Der gen. Code ist degeneriert: Jedem Triplett ist genau eine Aminosäure, jedoch sind einer Amino- säure teilweise mehrere Tripletts zugeordnet.
- Der gen. Code ist semikonservativ: nicht jede zufällige Änderung der Basensequenz führt zu einer anderen Aminosäure und damit anderen Proteinstruktur.
- Die Übersetzung in die Aminosäuresequenz beginnt immer am Startkodon AUG.
- 3 Tripletts codieren keine Aminosäure, sie sind Terminationssignale (Stoppkodone) bei der Transla- tion.

[...]

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¹ SMITH S. V

² DÄB 1998, B-531

³ http://www.bll.de/gentechl/kap12str.htm

⁴ GLICK/PASTERNACK S. 7

⁵ SMITH S. 6

⁶ ZIMMERMANN http://132.187.96.115/projekte/biotech/grundlag/bio1.htm

⁷ WEIDE u.a. S. 15

⁸ SMITH S. 2, 7 f.

⁹ LIBBERT S. 159

¹⁰ PRIMROSE S. 14 f.; KORFF S. 390 Kap. 1.1

¹¹ SMITH S. 87

¹² GenTG Einl. Rn 1

¹³ GenTG § 3 Rn 18

¹⁴ PRIMROSE S. 13

¹⁵ PRIMROSE S. 86 f.

¹⁶ PRIMROSE S. 14, 89 f.

¹⁷ SMITH S. 129 ff.

¹⁸ PRIMROSE S. 100 f.; SMITH S. 136 f.

¹⁹ PRIMROSE S. 82

²⁰ PRIMROSE S. 83

²¹ PRIMROSE S. 79

²² PRIMROSE S. 80

²³ PRIMROSE S. 125

²⁴ PRIMROSE S. 125

²⁵ GLICK/PASTERNACK S. 398 ff.

²⁶ PRIMROSE S. 175 f.

²⁷ PRIMROSE S. 177 f.

²⁸ http://www.uni-giessen.de/nutriinfo/gen2.htm

²⁹ GLICK/PASTERNACK S. 9

³⁰ LÖFFLER/PETRIDES S. 150 ff.; LIBBERT S. 66 ff.

³¹ GLICK/PASTERNACK S. 9

³² LIBBERT S. 100; LÖFFLER/PETRIDES S. 161

³³ LIBBERT S. 100 f.

³⁴ BÄK DÄB 1998, C-1020

³⁵ ROPERS DÄB 1998, B-548

³⁶ ROPERS DÄB 1998, B-549

³⁷ LÖFFLER/PETRIDES S. 150 ff., 240 ff.; LIBBERT S. 195ff.

³⁸ mRNS=messengerRibonucleinsäure

³⁹ LÖFFLER/PETRIDES S. 161 ff., 266 ff.; LIBBERT S. 199 ff.