Zum Stand der Forschung

Die Aktivität der Gene unterliegt dem komplexen System der Genregulation. Viele Fragen sind noch offen. (Foto: MIKI Yoshihito, DNA, bit.ly/27RaSmN, creativecommons.org/licenses/by/2.0/)

Ausgangspunkt für gentechnische Forschung ist zunächst die Tatsache, dass die Grundsubstanz des Erbgutes (des Genoms), die Desoxyribonukleinsäure (DNA) bzw. bei manchen Viren die Ribonukleinsäure (RNA), bei allen Lebewesen aus den gleichen Bausteinen aufgebaut ist. Bei jeder Zellteilung wird anfangs das gesamte Genom eines Lebewesens verdoppelt und anschließend so auf die beiden Tochterzellen verteilt, dass sie jeweils das identische Genom besitzen (identische Reduplikation).

1. Warum Gentechnik eine Risikotechnologie ist

Forscher stehen mit ihrem Wissen um genetische Prozesse noch am Anfang. Gene sind zwar linear auf der DNA angeordnet, man kann ihnen jedoch nicht einfach bestimmte Merkmale zuordnen (Foto: pixabay, CC0)

Zwanzig Jahre nach der Entdeckung des Aufbaus und Vervielfältigungsmechanismus der DNA gelang es Wissenschaftlern in den USA im Jahre 1973 erstmals, fremde Erbsubstanz in ein Bakteriengenom zu übertragen (transferieren). Doch die Vorstellung, dass nun Gene beliebig und gezielt übertragen werden könnten, über Artgrenzen hinweg und mit absehbarem Erfolg, bestätigte sich in der Praxis nicht.

Gene sind zwar linear auf der DNA angeordnet, man kann ihnen jedoch nicht einfach bestimmte Merkmale zuordnen. Die Aktivität der Gene unterliegt vielmehr einer komplexen Regelung: Ob sie aktiv werden, hängt zunächst vom Zelltyp ab; wann sie aktiv werden, hängt von zahlreichen Einflüssen und Wechselwirkungen zwischen diesen ab.   Für die Regulierung der Genaktivität bei Prokaryoten (Bakterien) wurde 1961 ein Modell vorgeschlagen („Operon-Modell“ von Jacob & Monod), das davon ausgeht, dass neben den eigentlichen Strukturgenen, die für Enzyme codieren, Regulatorgene (ein Operator und ein Promotor) zusammenwirken und die Strukturgene aktivieren/deaktivieren können. Dieses Modell wurde in der genetischen Grundlagenforschung vielfach bestätigt. Die Regulierung der Genaktivität bei Eukaryoten (Lebewesen mit „echtem“ Zellkern, d.h. alle außer Bakterien) ist hingegen wesentlich komplexer.  

Im Folgenden werden einige Themenbereiche genannt, die Gegenstand der genetischen Grundlagenforschung waren und sind. Einigermaßen gesicherte Aussagen über die Realisierung genetischer Information bei Eukaryoten bieten sie nicht:

  • Die Regulationsgene, die das eigentliche Gen aktivieren und deaktivieren, müssen nicht in unmittelbarer Nachbarschaft des Gens, sondern können an unterschiedlichen Stellen im Genom liegen.
  • Die Entschlüsselung verschiedener Genome (d.h. die Analyse der Abfolge der verschiedenen Nucleotide, aus denen das DNA-Molekül aufgebaut ist) hat gezeigt, dass die Anzahl der Gene wesentlich geringer ist als man erwartet hatte. Daraus schließt man z.B., dass gleiche Gensequenzen in verschiedenen und auch in gleichen Geweben unterschiedliche Funktionen haben können; bekannt ist, dass bei der vor der Proteinsynthese erfolgten Bearbeitung (Prozessierung) der Genkopie unterschiedliche Sequenzen (Introns) ausgeschnitten werden können.
  • Da Gene  unmittelbar oder durch ihre Genprodukte mit anderen Genen und deren Genprodukten interagieren, kann mit relativ wenigen Genen eine riesige Informationsvielfalt entstehen
  • Experimentelle Forschung an Drosophila (Taufliege) hat gezeigt: Während der Individualentwicklung werden Gene geordnet nacheinander aktiviert. Die Proteine dieser „Entwicklungskontrollgene“ (homöotische Gene) aktivieren weitere Gene, das heißt, es gibt hier eine Hierarchie der Genaktivierungen. Einige Befunde deuten darauf hin, dass es auch bei Säugetieren homöotische Gene gibt, die eine ähnliche übergeordnete Funktion wie bei den Insekten haben. Jedoch ist deren Anzahl, Sequenz und Lage im Genom noch nicht genau bekannt, ebenso wenig die genaue(n) Funktion(en) des jeweiligen Gens.
  • Der größte Teil der DNA wird bei eukaryotischen Genen überhaupt nicht abgelesen. Solche nicht-codierenden Abschnitte machen den Hauptteil des Erbgutes aus und liegen ebenso zwischen wie inmitten von codierenden Sequenzen. Manche ForscherInnen bezeichneten diesen Teil der DNA als „Junk-DNA“ oder „Müll-DNA“, weil man nichts damit anzufangen wusste. Inzwischen steigt die Zahl der Indizien und Hypothesen, die bei diesem „stummen“ Teil der DNA wichtige Funktionen für die Genregulation und das Evolutionsgeschehen vermuten lassen.
  • Darüber hinaus gibt es „springende Gene“ (Transposons); das sind kurze DNA-Abschnitte, die ihre Position auf einem Chromosom verändern können. Transposons können auch von Chromosom zu Chromosom springen und sich an unterschiedlichen Stellen des Genoms integrieren. Gesichert ist, dass sie zur Inaktivierung von Gensequenzen führen können. Sie sind in allen Organismenarten gefunden worden. Über ihre biologische Bedeutung wird noch spekuliert.
  • Das Forschungsgebiet der Epigenetik untersucht die Frage, welche Rolle verschiedene biochemische Modifikationen am DNA-Molekül, die nicht die Basensequenz selbst betreffen, bei den Regulationsvorgängen spielen. Offenbar entstehen viele dieser Modifikationen an der DNA im Laufe der Entwicklung eines Lebewesens als Reaktion auf Umwelteinflüsse und die Frage ist weiter, inwieweit diese epigenetischen Veränderungen vererbt werden können.  

Dieser kurze und bei weitem nicht vollständige Einblick in die genetische Grundlagenforschung zeigt: Das Genom eines Lebewesens steht unter der „Regie“ eines komplexen Regulierungssystems, das auch durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Wenn in das Genom eines eukaryotischen Lebewesens gentechnisch eingegriffen wird, sind bei dem gegenwärtigen Stand der Forschung die Folgen überhaupt nicht realistisch abzuschätzen. In der Regel wird dadurch ein funktionierendes System gestört. Abgesehen davon, dass man dieses komplexe System erst ansatzweise versteht, haben die GentechnikerInnen keinen Einfluss darauf, an welcher Stelle im Genom sich beim Gentransfer die fremden Gensequenzen einbauen und wie viele Kopien es sind. Aber selbst, wenn das möglich wäre, wüsste man nicht, welcher der Millionen Genorte ein richtiger Ort ist und somit einer, durch den die gewünschte Eigenschaft ermöglicht wird, ohne gleichzeitig Schäden zu verursachen...  

Weil die fremden Gensequenzen häufig negative Effekte auf das Genom haben, stirbt ein Großteil der gentechnisch veränderten Organismen (GVO) in Folge des Gentransfers ab. Es handelt sich um ein „Versuch-Irrtum-Verfahren“ oder wie einmal eine Zeitung titelte: „Schlau ist man erst hinterher“. Das gilt für den Ort der Insertion innerhalb des Genoms als auch für die Umwelt, in der sich das gentechnisch veränderte Lebewesen aufhält und mit der es interagiert. Aus all dem kann die Schlussfolgerung gezogen werden: Gentechnik ist eine Risikotechnologie.

2. Gentechnische Veränderungen von Bakterien

Agroinfiltration: ein Gen wird in ein Agrobacterium eingeschleust und eine Suspension dieser veränderten Bakterien in nicht-Keimgewebe (typischerweise Blätter) gespritzt. Ob und wo die DNA in der Zielzelle einfügt wird, kann durch das Verfahren nicht bestimmt werden.(Foto: Chandres, Nicotiana benthamiana levaes agroinfiltration, bit.ly/1WSjia9, creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en)

Die Verfahren zur gentechnischen Veränderung bei Bakterien sind am weitesten entwickelt. Neben den geringen Kosten für deren Kultur und die einfache Verfügbarkeit, hat das biologische Gründe: Das Genom von Bakterien ist relativ klein, es gibt keine nicht-codierenden Abschnitte und über die Regulierung der Genaktivität gibt es einige gesicherte Erkenntnisse. Vor allem aber können Bakterien auf natürliche Weise Gene untereinander austauschen (horizontaler Gentransfer).  

Der natürliche Gentransfer zwischen Bakterien ist möglich, weil bei ihnen ein Teil der Erbinformation auf sogenannten Plasmiden liegt (Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Moleküle, die für kurze Zeit auch außerhalb des Bakteriums existieren können) und weil bestimmte bakterieneigene Enzyme die DNA an bestimmten Stellen aufschneiden (Restriktionsenzyme) oder verbinden (Ligasen) können. Da die „genetischen Scheren und Kleber“ bei jeder DNA funktionieren, kann man mit ihnen Gene aus Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen, deren Sequenz bekannt ist, ausschneiden, in Plasmide einbauen und die so veränderten Plasmide wieder auf Bakterienzellen übertragen.  

Warum macht man das? Vorausgesetzt, das fremde Gen wird in der Bakterienzelle abgelesen, kann man Bakterien z.B. benutzen, um ein bestimmtes Genprodukt in großen Mengen herzustellen. So werden insbesondere Enzyme für die Krankheitsdiagnostik und für Gentests hergestellt. Auch menschliche Proteine können von Bakterien produziert werden, wie Proinsulin, die Vorstufe des Insulins, das zur Blutzuckerregulation notwendig ist und das Diabetiker nicht selbst produzieren können. Ebenfalls können bestimmte Bakterien wie beispielsweise Agrobacterium tumefaciens eigene und, wenn gentechnisch verändert, fremde Gensequenzen auf Pflanzen übertragen.

3. Gentechnische Veränderungen bei Pflanzen

Mit diesen Genkanonen kann Genmaterial in Zellen eingeschleust werden. Die Positionierung bleibt dem Zufall überlassen. (Foto: Agencia de Noticias/Unimedios)

Da eukaryotische Genome – wie bereits ausgeführt wurde – wesentlich komplexer sind als prokaryotische, kann man aus dem Stand der Gentechnik bei Bakterien nicht schließen, was bei Pflanzen und Tieren möglich ist oder jemals möglich sein wird. Ebenso ist die Übertragung von Forschungsergebnissen bei Pflanzen auf Tiere nicht möglich.  

Pflanzen besitzen eine hohe Regenerationsfähigkeit, das heißt aus einer bereits differenzierten Pflanzenzelle kann man unter geeigneten Wachstumsbedingungen eine ganze Pflanze regenerieren. Diese Eigenschaft von Pflanzen macht man sich bei der Gentechnik zunutze.  

Für den Gentransfer bei Pflanzen sind hauptsächlich zwei Verfahren entwickelt worden, die, je nachdem um welche Pflanzenart es sich handelt, angewendet werden:  

A. Ballistisches Verfahren mit Edelmetallen für einkeimblättrige Pflanzen
Zu den einkeimblättrigen Pflanzen zählen alle Gräser wie Getreide, Mais und Wiesengräser. Für das ballistische Verfahren werden Gold-, Platin- oder Wolfram-Partikel mit DNA der zu transferierenden Gensequenzen (Transgene) beschichtet und dann mit hoher Geschwindigkeit gleichzeitig auf Tausende der zu manipulierenden Pflanzenzellen geschossen. Das Verfahren beruht auf der Möglichkeit, dass in wenigen Fällen Gensequenzen erstens innerhalb einer Zelle abgestreift werden (also in der Zelle verbleiben) und sich zweitens in das in der Zelle vorhandene Erbgut einfügen. Es besteht kein Einfluss darauf, ob und wenn ja, wo sich die neuen Gensequenzen in das Erbgut der Zielzelle einfügen. Die Erfolgsquoten liegen im Promillebereich.

B. Vektorverfahren mit Agrobacterium tumefaciens für zweikeimblättrige Pflanzen
Zu den zweikeimblättrigen Pflanzen zählt z. B. die Sojabohne. Bei diesem Verfahren benutzt man das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens . Dieses Bodenbakterium verursacht natürlicherweise bei zweikeimblättrigen Pflanzen Zellwucherungen (Tumore), indem es ein tumorinduzierendes Plasmid (Ti-Plasmid) in die Pflanzenzelle einschleust. Das Plasmid wird in die pflanzliche DNA integriert und veranlasst die Pflanze zu unkontrolliertem Wachstum. Diese Fähigkeit des Bakteriums, DNA zu übertragen macht man sich zunutze: man entfernt die tumorinduzierende Basensequenz und baut ein Fremdgen in das Plasmid ein, das dieses dann in die Pflanzen-DNA integriert. Auch bei diesem Verfahren besteht kein Einfluss darauf, ob und wenn ja, wo sich Transgene in das Erbgut der Zielzelle einfügen.  

Gefahr durch Antibiotika-Resistenzen
Um die wenigen gentechnisch veränderten Zellen von den sehr vielen nicht veränderten zu unterscheiden, werden Selektionsverfahren genutzt. Die Transgene werden zu diesem Zweck mit einer weiteren Gensequenz verbunden: einem sogenannten Selektionsmarker. Die am häufigsten eingesetzten Selektionsmarker sind Antibiotika-Resistenzgene, die die gentechnisch veränderten Pflanzenzellen resistent gegen ein bestimmtes Antibiotikum machen.  

Nach dem Gentransfer werden die Zellen dem speziellen Antibiotikum ausgesetzt. Es überleben nur diejenigen Zellen, die das Resistenzgen gegen das Antibiotikum in ihr Erbgut aufgenommen haben. Da die Gensequenzen für die Resistenz mit den Gensequenzen für die eigentlich gewünschte(n) Eigenschaft(en) verbunden sind, geht man davon aus, dass die Antibiotika-resistenten Zellen auch die weiteren Transgene besitzen.  

Die Gefahr liegt darin, dass diese Antibiotika-Resistenz-Gene nach der – absichtlichen oder unabsichtlichen – Freisetzung der transgenen Pflanzen durch natürlichen Gentransfer aus den Pflanzenzellen auf Bakterien übertragen werden können, die bis dahin mit diesen Antibiotika bekämpft werden konnten und nun resistent würden. Es ist umstritten, wie wahrscheinlich ein horizontaler Gentransfer von Pflanzen auf Bakterien ist; zumindest für Pflanzen, deren Chloroplasten transformiert wurden, wurde die Übertragung von Transgenen auf mit ihnen vergesellschaftete Bakterien gezeigt (Pontiroli et al. 2009).

4. Gentechnische Veränderungen und Klonen bei Säugetieren

Das Schaf Dolly war das erste geklonte Säugetier. (Foto: wikipedia / public domain)

Aufgrund erheblicher biologisch-technischer Probleme gibt es bislang keine transgenen Tiere in der praktischen Landwirtschaft sondern nur in der Forschung. Die meisten gentechnisch veränderten Embryonen sterben ab. Während Bakterien nicht nur das Hinzufügen, sondern auch das Entfernen von Gensequenzen (am Erbgut ihrer Plasmide) überleben, ist bei Säugetieren nur das Hinzufügen von Erbmaterial möglich. Dieses Hinzufügen von Erbmaterial schließt Gensequenzen mit ein, mit denen vorhandene Gensequenzen stillgelegt werden sollen – das sogenannte Gene-Silencing. Erstmals wurden 1980 transgene Säugetiere der Öffentlichkeit vorgestellt: eine Gruppe von Mäusen, die den Transfer menschlicher Wachstumshormon-Gene überlebt hatte.  

Mikromanipulation – hoher Aufwand, geringer Erfolg Die gängige Technik zur gentechnischen Veränderung von Säugetieren ist die sogenannte Mikromanipulation, die nur im Zusammenhang mit Fortpflanzungstechniken möglich ist, das heißt die Eizelle muss vor oder nach der Befruchtung aus Eileiter bzw. Gebärmutter herausgeholt werden.  

Die Mikromanipulation erfolgt direkt nach der Befruchtung der Eizelle durch das Spermium: In den wenigen Stunden, in denen dann mütterliches und väterliches Erbgut zum Ein-Zell-Embryo verschmelzen, werden 500 bis 1.000 Kopien (gleiche Gensequenzen) in die Eizelle injiziert, in der Hoffnung, dass sich eine (oder mehrere) dieser Gensequenzen zusätzlich in das Erbgut einfügen. Nur so ist die theoretische Voraussetzung dafür gegeben, dass bei den anschließenden Zellteilungen die fremde Gensequenz auch auf alle zukünftigen Zellen übertragen wird. Je nach Tierart und Forschungsstand wird ein manipulierter Embryo anschließend zur Reifung in den Eileiter eines lebenden Tieres (in vivo) operiert oder im Glas (in vitro) kultiviert, ehe er in die Gebärmutter eines hormonell synchronisierten Empfängertieres übertragen wird.  

Transgene Tiere sind Tiere, die fremde Gensequenzen in ihrem Erbgut tragen (erfolgte Insertion), unabhängig davon, ob die zusätzlichen Gensequenzen auch aktiv werden (Expression). Die Erfolgsquoten der Mikromanipulation liegen nach über 30 Jahren Forschung bei den verschiedenen Tierarten ungefähr bei folgenden Werten: Maus fünf Prozent, Schaf, Ziege und Schaf unter zwei Prozent und Rind unter 0,5 Prozent.  

Kranke Klone – nur die wenigsten Tiere überleben. Weil diese sogenannten Erfolgsquoten trotz millionenfacher Tierversuche – verbunden mit einem enorm hohen Embryonenverbrauch – in den vergangenen drei Jahrzehnten nicht verbessert werden konnten, wird intensiv an Klon-Techniken geforscht. Mit ihrer Hilfe sollen die wenigen unter den transgenen Tieren, die überleben und über gewünschte Eigenschaften verfügen, vervielfältigt werden.  

Klon-Techniken sind Vermehrungs- bzw. Vervielfältigungstechniken, die dazu dienen, genetisch identische Exemplare eines Tieres herzustellen. Beim „klassischen“ Klonen werden die Zellen eines Embryos z. B. im 8-Zell-Stadium voneinander getrennt und in acht verschiedene „Muttertiere“ verpflanzt, so dass also in diesem Fall acht genetisch identische Tiere entstehen. Bei der unter dem Begriff „Dolly-Methode“ bekannt gewordenen Klontechnik dagegen sollen Klone von bereits erwachsenen Tieren hergestellt werden. Damit könnte man dann von einem erwachsenen Tier, bei dem sich der Gentranfer als „erfolgreich“ herausgestellt hat, viele identische Expemplare herstellen.  

Das Schaf Dolly war 1996 durch Kerntransfer (Somatic Cell Nuclear Transfer – SCNT) entstanden – nach über einem Jahrzehnt der Forschung an Tausenden Embryonen. Der Zellkern stammte aus der Euterzelle eines ausgewachsenen Schafes und wurde in eine Eizelle eines anderen Schafes eingefügt. Die übliche Formulierung, Dolly sei aus 273 Embryonen entstanden, ist – bezogen auf diesen einen Versuch – sachlich richtig, aber dennoch irreführend, weil sie suggeriert, nur 273 und nicht viele Tausend Embryonen seien für die Entwicklung von Dolly ausreichend gewesen.  

Dass beim Kerntransfer die meisten Klone vor der Geburt absterben und viele missgebildet zur Welt kommen, liegt an nicht beabsichtigten Störungen der Regulation der Genaktivität (siehe oben). Selbst die wenigen lebensfähigen Klontiere altern vorzeitig, möglicherweise aufgrund verkürzter Telomere (das sind die Enden der Chromosomen, die bei jeder Zellteilung kürzer werden). Hinzu kommen Krankheiten bei den wenigen Überlebenden, die zwar bei der Geburt gesund aussehen, später aber schwer erkranken. Denn Immunschwäche, Lungenversagen, Leber- und Nierenfibrosen, Krankheiten des Herzmuskels, Fettleibigkeit und Blutarmut zählen zu den möglichen und tatsächlich auch sehr häufigen Folgen des Klonens.  

Dennoch resümierte die europäische Zulassungsbehörde EFSA im Jahr 2008: „Obwohl die Sterblichkeits- und Erkrankungsrate von Klonen signifikant höher ist als die, die bei durch normale Fortpflanzung reproduzierten Tieren beobachtet wurde, lassen gesunde Klone und ihre Nachkommen darauf schließen, dass die Technologie des somatischen Zellkerntransfers (SCNT) bei Rindern und Schweinen erfolgreich als Reproduktionsmethode eingesetzt werden kann. Auf der Grundlage einer Reihe von Parametern, einschließlich physiologischer und klinischer, weisen gesunde Klone und ihre gesunden Nachkommen keine signifikanten Unterschiede gegenüber konventionell erzeugten Tieren auf.“ Quelle: EFSA (2008), Quelle: Idel (2009): Science oder Fiction? 25 Jahre Klonforschung an Tieren – aktueller Stand und Perspektiven. In: Der kritische Agrarbericht 2009, 221-227, hier: S. 224  Dieses Resümee ignoriert die oben genannten Tatsachen. Es ignoriert, dass es sich bei den überlebenden Klonen um Unikate – Einzeltiere wie Dolly – handelt und dass den betroffenen Tieren nicht unerhebliches Leid zugefügt wird – für eine Forschung mit äußerst zweifelhaftem Ziel.

Neue Gen-Techniken

In den vergangenen Jahren wurden neue molekularbiologische Techniken zur „Verbesserung“ von Pflanzen, aber auch Tieren, entwickelt. Diese nutzen oft natürliche Reparaturmechanismen der Zelle aus, um Änderungen im Genom herbeizuführen.

Offen ist, ob die so erzeugten Organismen rechtlich als “genetisch verändert“ gelten müssen oder nicht. Denn bei „Gentechnik“ handelt es sich zunächst einmal um einen juristischen Begriff. Die Definition ist daher entscheidend, ob Pflanzen das aufwendige Gentechnik-Zulassungsverfahren durchlaufen und als solche gekennzeichnet werden müssen - oder ob eine einfache Registrierung reicht.

Dossier: Neue Gen-Techniken

Bioökonomie

Das neue Zauberwort für die nachhaltige Nutzung biologischer Ressourcen lautet Bioökonomie. Diese wird mit 2,4 Milliarden Euro gefördert. Doch die vom Bioökonomierat stammenden Vorschläge setzen vor allem auf technischen Fortschritt, Produktionssteigerungen und Biotechnologie.

Dossier: Bioökonomie