Grüne Gentechnik. Chancen und Risiken zur Bekämpfung von Hunger und Krankheiten

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG

2 KONVENTIONELLE PFLANZENZÜCHTUNG
2.1 Begriffsklärung
2.2 Selektionszüchtung
2.3 Kombinationszüchtung
2.4 Klonzüchtung
2.5 Mutationszüchtung

3 ZÜCHTUNG MIT DER ‚GRÜNEN GENTECHNIK‘
3.1 Begriffsklärung
3.2 Agrobacterium tumefaciens vermittelte Transformation
3.3 Die biolistische Transformation
3.4 CRISPR-Cas9

5 RISIKEN DER GRÜNEN GENTECHNIK
5.1 Unkontrollierte Ausbreitung von Pflanzen
5.2 Allergie auslösendes Potenzial
5.3 Auswirkungen auf andere Tiere im Ökosystem
5.4 Patentrecht auf Saatgut

6 CHANCEN DER GRÜNEN GENTECHNIK
6.1 Herbizidresistenz
6.2 Schutz vor Schadinsekten
6.3 Resistenz gegen umweltbedingte Stressfaktoren
6.3 Qualitätssteigerung anhand des Fallbeispiels ‚Golden Rice‘

6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Entwicklung des Maiskolbens im Verlauf der Zeit https://learn.genetics.utah.edu/content/evolution/corn/

Abbildung 2: Prinzip einer Apparatur für die biolistische Transformation, auch Genkanone genannt. (1) Druckkammer der Genkanone, (2) Makroträger für DNA-beschichtete Partikel, (3) Sollbruchstelle, bricht bei bestimmtem Druck und setzt Helium frei, (4) Auffanggitter für den Makroträger, (5) DNA-beschichtete Partikel und (6) Petrischale mit Pflanzengewebe. Die Pfeile symbolisieren die Richtung des Heliumdruckstoßes (vgl. Kempken 2012, S. 102)

Abbildung 3: Schnitt ins Erbgut (vgl. Kindel 2018, S. 75)

Abbildung 4: Schiff im Ruhrgebiet sammelt Wasserpest ein https://www.alamy.de/16-km-schiff-auf-dem-kemnader-stausee-cemnade-ruhrverband-kampf-elodea-elodea-nuttallii-waterweed-nuttalls-waterweed-wittenruhrgebietrh-image154788879.html

Abbildung 5: Siegel „Ohne Gentechnik“ / Verband Lebensmittel ohne Gentechnik (vgl. Heberer 2015)

Abbildung 6: Verdeutlichung der Vorteile der Benutzung von Herbiziden. Links kein Einsatz von Herbizide, Rechts Einsatz von Herbiziden https://cropwatch.unl.edu/2017/keys-managing-herbicide-resistance-soybeans

Abbildung 7: Vergleich von insektenresistentem Mais (oben) und normalem Mais (unten) https://drtaylorwallace.com/gmo-dispelling-myths-gm-food-crops/gmo-vs-nongmo-corn/

Abbildung 8: Vergleich der herkömmlichen Reissorte (links) mit den zwei Entwicklungsstufen (Mitte: 1. Stufe, rechts: 2 Stufe) des Golden Rice http://www.goldenrice.org/Content2-How/how1_sci.php

Abbildung 9: Hornhauttrübung bei Vitamin-A-Mangel bei 2-jährigem Mädchen http://userpage.fu-berlin.de/~schulzma/kongo_bildstrecke.html

1 EINLEITUNG

Die Gentechnik wird mittlerweile auf vielerlei Weise angewandt. Grundsätzlich verfolgt sie das Ziel, Bakterien, Säugetiere und Pflanzen so zu verändern, dass diese größeren Nutzen für den Menschen erhalten. Insbesondere in Europa aber bleibt die Gentechnik ein umstrittenes Thema, das zudem sehr polarisierend wirkt: Auf der einen Seite gibt es unerbittliche Gegner, welche nicht müde werden, auf die ihrer Ansicht nach damit verbundenen Risiken hinzuweisen. Vor allem befürchten sie, dass der Konsument in nicht allzu ferner Zukunft keine Wahl mehr zwischen gentechnisch veränderten und konventionellen Lebensmitteln haben werde. Bei einer zu großen Verbreitung würden wie sie hervorheben alle Möglichkeiten der Kontrolle und Steuerung versagen. Der Willkür wäre damit Tür und Tor geöffnet. Auf der anderen Seite steht ihnen eine zahlenmäßig kleinere Gruppe ebenso überzeugter Befürworter gegenüber, welche die Gentechnik als entscheidenden Schritt für die Lösung vieler, nicht zuletzt gesundheitlicher Probleme namentlich in den Entwicklungsund Schwellenländern ansehen. Mit der Weiterentwicklung der Gentechnik verbinden sie die Hoffnung, wirksam gegen den Hunger in der Welt vorzugehen. Gegenwärtig leiden laut einem UN-Bericht 800 Millionen Menschen auf der Erde an Mangeloder Unterernährung (vgl. Mücke 2018). Prognosen zufolge werden im Jahr 2100 rund 11 Milliarden Menschen zu ernähren sein eine Herausforderung, der wir uns alle stellen sollten. Gleichzeitig müssen wir uns aber auch der ethischen Dimension der Gentechnik bewusst werden und uns fragen, wo ihr Grenzen zu setzen sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn entsprechende Versuche an Menschen durchgeführt werden, wie erst 2018 im Fall jener Zwillinge, die noch vor ihrer Geburt durch Genmanipulation HIV-resistent gemacht wurden. Obwohl es hierbei um die Bekämpfung einer Krankheit ging, stimmt dieses Beispiel sehr nachdenklich, zumal dasselbe Verfahren auch dafür eingesetzt werden kann, sogenannte „Designer-Babys“ zu erschaffen.

Der Journalist Wolfgang J. Reus hat diese Dichotomie anschaulich und eindringlich in Worte gefasst:

„Ebenso wie die Atomphysik öffnet die Gentechnik dem Menschen sowohl ein Tor zum Himmel als auch zur Hölle.“

2 KONVENTIONELLE PFLANZENZÜCHTUNG

Zunächst ist es für die Themenstellung unerlässlich, einen kurzen Überblick über die konventionelle, auch als ‚natürlich‘ bezeichnete Pflanzenzüchtung zu geben, weil sie die Grundlage für die Entwicklung gentechnisch veränderter Zuchtarten darstellt. So wird beispielsweise Baumwolle bereits seit Jahrtausenden angebaut, wobei es im Lauf der Zeit durch die Kreuzung der auf verschiedenen Erdteilen beheimateten Arten immer wieder zur Bildung neuer Formen gekommen ist. Ähnliches gilt für eine Reihe von Getreidesorten wie Mais oder Raps, die zu den ältesten Kulturpflanzen gehören (vgl. Kempken 2012, S. 1f.). So wird deutlich, dass Pflanzenzüchtung und grüne Gentechnik das gleiche Ziel verfolgen die Entwicklung neuer Arten.

In diesem Zusammenhang ist es notwendig, den Terminus ‚Pflanzenzüchtung‘ zu definieren.

2.1 Begriffsklärung

Pflanzenzüchtung ist eine Praxis, bei der man gezielt Pflanzen kreuzt, vermehrt und weiterentwickelt, damit sie einen größeren Nutzen für den Menschen aufweisen. Das Zuchtziel ist, positive Merkmale zu schaffen, um eine Qualitätssteigerung sowie einen Anwuchs der Ernte zu erhalten. Außerdem soll die Arbeit in der Landwirtschaft erleichtert werden (vgl. Hiekel, 2011, S.41).

Im Folgenden sollen verschiedene Arten der Pflanzenzüchtung näher erläutert werden.

2.2 Selektionszüchtung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Entwicklung des Maiskolbens im Verlauf der Zeit (vgl. learn.genetics.utah.edu)

Die Selektionszüchtung, auch Auslesezüchtung genannt, ist die älteste Art der Pflanzenzüchtung. Hierbei werden über viele Jahre hinweg Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften ausgelesen und untereinander vermehrt.

Dies wiederholt man, bis die Pflanzen möglichst viele der Eigenschaften erhält (vgl. Heberer 2015, S. 7). Bereits die Ur-Mexikaner begannen nach ihrer Sesshaftwerdung Pflanzen, insbesondere Mais, gezielt auszulesen und zu vermehren, um den Ertrag bei dessen Ernte zu erhöhen. Dies belegen Maiskolben um 5000 v. Chr., die maximal 2,5 cm lang waren und ca. 1500 Jahre später schon 7 cm umfassten (vgl. Abb. 1). Diese Ertragssteigerung gewährleistete schon damals die Ernährung der steigenden Bevölkerungszahl (vgl. Frietsch 2018).

2.3 Kombinationszüchtung

Die Kombinationszüchtung kommt heutzutage am häufigsten vor und stellt eine Fortsetzung der Selektionszüchtung dar. Hierbei wird das Erbgut von zwei reinerbigen Elterngenerationen gezielt gekreuzt, um erwünschte Eigenschaften zu erhalten. Um das Zuchtziel zu erreichen, müssen die Nachkommen über mehrere Generationen ausgelesen werden (vgl. Heberer 2015, S. 7).

2.4 Klonzüchtung

Teilweise werden Pflanzenarten ungeschlechtlich vermehrt. Bei dieser vegetativen Vermehrungsart werden zum Beispiel Knollen oder Stecklinge gezüchtet, wodurch alle Nachkommen einer Pflanzenart genetisch identisch, also Klone, sind. Diese Art der Züchtung ist sinnvoll, wenn man bereits eine Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften hat, deren Gene identisch übertragen werden sollen (vgl. Heberer 2015, S. 7).

2.5 Mutationszüchtung

Durch die Mutationszüchtung ist es möglich, neue Genvariationen mit eventuell unbekannten Eigenschaften zu erhalten. Hierbei wird das Saatgut gezielt radioaktiven Strahlen ausgesetzt, wodurch es zu einer Mutation in der pflanzlichen DNA kommt. Die so entstehenden Pflanzen mit den gewünschten Genomen können anschließend ausgelesen und weiter vermehrt werden. Da diese Technik auf einer zufälligen Veränderung des Genoms beruht, wird die Mutationszüchtung selten angewandt. Obwohl die pflanzliche DNA bei dieser Methode verändert wird, zählt sie nicht zur Gentechnik (vgl. Heberer 2015, S. 7).

3 ZÜCHTUNG MIT DER ‚GRÜNEN GENTECHNIK‘

3.1 Begriffsklärung

Der entscheidende Unterschied der sogenannten ‚grünen Gentechnik' im Vergleich zu konventionellen Pflanzenzüchtung besteht darin, dass isolierte DNA zielgerichtet in das Erbgut einer Pflanze eingesetzt wird. Dabei ist die Funktion des betreffenden Gens schon vorher bekannt. Somit kann man eine erwünschte Eigenschaft gezielt übertragen (vgl. Hiekel 2012, S. 47). Das grundlegende Verfahren der Pflanzenzüchtung wird allerdings durch die Gentechnik nicht verändert, sondern lediglich beschleunigt und effizienter (vgl. Heberer 2015, S.8).

Im Folgenden sollen verschiedene Methoden zur Herstellung transgener Pflanzen beschrieben werden, um den Facettenreichtum der grünen Gentechnik zu zeigen.

3.2 Agrobacterium tumefaciens vermittelte Transformation

Beim Agrobacterium tumefaciens handelt es sich um ein Bodenbakterium, das, wie auch verwandte Arten, die Fähigkeit besitzt, seine DNA zu einem kleinen Teil in pflanzliche Zellen einzubringen (vgl. Kempken 2012, S. 89). Dieses Bakterium enthält ein sogenanntes Ti(tumor inducing)-Plasmid, welches das Tumorwachstum in den Zellen der infizierten Pflanze anregt. Gleichzeitig werden bestimmte Nährstoffe produziert, die dem Bakterium nutzen. Aus diesem TiPlasmid können die tumorinduzierenden Gene eliminiert werden. Damit verliert das Plasmid seine Wirkung, und das entfernte Gen kann durch für die Zucht vorteilhafte DNA substituiert werden (vgl. Hiekel 2012, S. 48). Die Übertragung bakterieller DNA durch das Agrobacterium tumefaciens, die im Jahr 1980 erstmals bei Pflanzen angewandt wurde, bedeutete einen wichtigen Meilenstein in der grünen Gentechnik (vgl. Kempken 2012, S. 13f.).

3.3 Die biolistische Transformation

Die biolistische Transformation wurde erst 1987 nach der durch das Bakterium Agrobacterium tumefaciens vermittelten Transformation entwickelt, da letztere nicht bei einkeimblättrigen Pflanzen, wie z.B. Getreide, wirkt. Bei dieser Methode werden winzige Partikel mit darauf beschichteter DNA mithilfe einer Apparatur, die üblicherweise auch als ‚Genkanone‘ oder ‚Gene gun‘ bezeichnet wird, in die Zelle geschossen. Da diese Partikel sehr klein sind, können sie einfach die Zellwand durchdringen, ohne sie zu beschädigen. Die ersten Apparaturen haben Schießpulver für das Einbringen der Partikel verwendet. Moderene Geräte werden z.B. mit Helium betrieben, das einerseits sicherer ist und andererseits die mit DNA beschichteten Partikel perfekt beschleunigt (vgl. Abb. 2). Der Vorteil der Genkanone liegt zum einen darin, dass es nicht nötig ist, die Zellwand enzymatisch zu entfernen, und zum anderen, dass die Übertragung der DNA nicht so kompliziert ist wie bei der Agrobacterium tumefaciens- Transformation. Somit erfordert die biolistische Transformation einen geringeren Aufwand. Zusätzlich kann diese Methode theoretisch beliebige Zellen und Organismen umwandeln. Erwähnenswert erscheint dennoch, dass ihre Effizienz sehr gering ist. Außerdem liegt die in die Zelle integrierte DNA im Gegensatz zur Agrobacterium tumefaciens- Methode in vielfachen Kopien vor. Dies kann zu genetischer Instabilität führen (vgl. Kempken 2012, S. 99ff.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prinzip einer Apparatur für die biolistische Transformation, auch Genkanone genannt. (1) Druckkammer der Genkanone, (2) Makroträger für DNA-beschichtete Partikel, (3) Sollbruchstelle, bricht bei bestimmtem Druck und setzt Helium frei, (4) Auffanggitter für den Makroträger, (5) DNA-beschichtete Partike und (6) Petrischale mit Pflanzengewebe. Die Pfeile symbolisieren die Richtung des Heliumdruckstoßes (vgl. Kempken 2012, S. 102)

3.4 CRISPR-Cas9

Den derzeitigen Höhepunkt in der Entwicklung der Gentechnik bildet das CRISPR-Cas9-System, das umgangssprachlich als ‚Genschere‘ oder auch ‚Genchirurgie‘ bezeichnet wird (vgl. Wünschiers 2019, S. 2). Als Entdeckerinnen von CRISPR/Cas9 (meist nur ‚CRISPR‘) gelten die Französin Emanuelle Charpentier und die Amerikanerin Jennifer Doudna. Als beide 2012 in einem Aufsatz ihre Erkenntnisse erläuterten, beschrieben sie, wie sich das Bakterium Streptococcus pyogenes, das beim Menschen Krankheiten auslösen kann, vor angreifenden Viren schützt.

Dieses System zur Abwehr von Viren hat die beiden Teilbereiche Archiv und Schneidwerkzeug. Das Bakterium verwendet das Archiv als Erinnerungshilfe: Es legt Proben mit allen Viren an, mit denen es jemals Kontakt hatte. Diese archivierten DNA-Sequenzen der Viren nennen beide Forscherinnen CRISPR. Für den Fall, dass es zu einer erneuten Infektion mit dem Virus kommt, aktiviert das Bakterium sein Abwehrsystem. Es prüft den Erreger anhand des Archivs. Wird der Eindringling erkannt, ist das Schneidwerkzeug des Bakteriums, das Cas9-Enzym, gefragt. Dieses schneidet durch die virale DNA, sodass der Virus unschädlich gemacht wird. Aus diesen beiden Teilbereichen setzt sich die Bezeichnung CRISPR-Cas9 zusammen.

Noch relevanter indessen ist die Erkenntnis der beiden Wissenschaftlerinnen, dass CRISPR-Cas9 als ein vielseitiges Werkzeug zum Verändern des Erbguts umfunktioniert werden kann. Demzufolge können Gene z.B. von Pflanzen gezielt ausgetauscht werden (vgl. Kindel 2018, S. 72).

Unter CRISPR-Technik versteht man das zielgerichtete Einschleusen fremder Gene in die DNA (vgl. die hier übernommene graphische Darstellung Schnitt ins Erbgut bei Kindel 2018, S. 75). Zur Entfernung schadhafter Gene wird zunächst fremdes Erbgut (rot markiert) in ein bestimmtes DNA-Segment (türkis) einge- setzt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Ausgangssituation

Um das fremde Gen an der vorgesehenen Stelle im DNA-Strang zu positionieren, wird diese mit einem Erkennungsmarker (blau) versehen. Das betreffende Gen verfügt über die adäquate genetische Buchstabenfolge und kann somit präzise andocken:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Suchauftrag

[...]