Gentechnik als angewandte Molekulargenetik

Chancen und Risiken der Gentechnik:

Schema: Plasmidtechnik:

Schematische Skizzen zu 1) und 3) : Aufschneiden der DNA

zu 6) Selektion der Bakterien, die das gewünschte Fremd-Gen enthalten:
> durch Gensonden: Ein künstlich hergestelltes, zum gesuchten Gen komplementäres einzelsträngiges DNA-Stück wird radioaktiv markiert oder mit Fluoreszenz-Farbstoff gekoppelt. 
Aus den verschiedenen Bakterienkolonien werden DNA-Proben untersucht: Zerschneiden mit Restr.Enzymen, Sortieren durch Wanderung im elektrischen Feld, Denaturierung in Einzelstränge, Zugabe der Gensonde, durch Auflegen eines Röntgenfilmes kann das gesuchte Gen als schwarze Bande sichtbar gemacht werden. (Autoradiographie/DNA-Fingerprint).

> durch Nachweis des gewünschten Genprodukts: 
Die verschiedenen Bakterienkolonien werden auf die Anwesenheit des gewünschten Proteins untersucht.

> durch Marker-Gene: z.B. Resistenzgene

Der erfolgreiche Einbau des Insulin-Gens wird mit Hilfe von 2 Resistenzgenen ermittelt, die sich auf dem Plasmid befinden. Das Restriktionsenzym wird so gewählt, dass es ein Resistenz-Gen zerschneidet und damit unwirksam macht.Vorher war das Bakterium gegen die Antibiotika Ampicillin und Tetracyclin resistent. Nach dem erfolgreichen Einbau ist es nur noch gegen Ampicillin resistent. Durch Kultur auf bestimmten Nährböden können die Bakterien mit erfolgreichem Einbau des Fremdgens in Reinkultur isoliert werden.
Selektion/Isolierung mit der Stempeltechnik:

Zu 2)  Therapie von Erbkrankheiten  "rote Gentechnik"

Um Erbkrankheiten zu heilen, versucht man mit mehreren Strategien, "reparierte" Gene in Körperzellen einzuschleusen:

a) Transformation: "Nackte" DNA wird z.B. auf Goldkügelchen geklebt und dann in Zellen geschossen.
b) Viren als Vektor (= Genfähre)   siehe Transduktion 
Bedingung: Die Viren müssen so verändert werden, dass sie zwar in die Zellen eindringen, aber keine Krankheit auslösen.
c) Zellverschmelzung (Zellfusion): "Reparierte" Zellen entstehen durch Verschmelzung mit gesunden Zellen.

Somatische Gentherapie:    Es werden nur Körperzellen therapiert, keine Keimzellen.
Eine Heilung wird also nicht vererbt an die Nachkommen, sie betrifft nur das behandelte Individuum.
Keimbahn – Gentherapie: Hier werden Keimzellen genetisch verändert. Das „reparierte“ Gen müsste z.B. in die befruchtete Eizelle (oder Embryo) eingeschleust werden. Die Heilung oder der Misserfolg würde sich auf die Nachkommen auswirken, nicht auf die Eltern. (gesetzlich z.Zt. verboten)

zu 2a) DNA-Schuss-Methode:
zu 2b) Viren als Vektoren

zu 4) Gentechnische Methoden in der Pflanzenzüchtung: "grüne Gentechnik"
Um fremde DNA in Pflanzenzellen zu bekommen, gibt es mehrere Methoden:

a) Bakterien und Viren als Genfähren/Vektoren.
b) Partikelbeschuss: DNA wird auf winzigen Goldkügelchen direkt in die Zellen "geschossen". (Transformation)
c) Mikroinjektion (feinste Kanülen werden zur Injektion von DNA benutzt)
d) Zellfusion durch Protoplastenbildung (Pflanzenzellen ohne Zellwand)
e) Elektroporation: Durch elektrische Entladungen (oder Laser) werden winzige Löcher in die Zellmembran von Protoplasten gerissen, durch die DNA-Moleküle eindringen können.
d) Liposomenfusion: Künstlich hergestellte Membranbläschen aus Doppellipidschichten; sie werden mit DNA gefüllt, verschmelzen mit der Protoplastenmembran und entleeren die DNA ins Zellinnere.

zu a) 
Das Bakterium Agrobacterium tumefaciens schleust auf natürliche Weise Gene in das Pflanzengenom ein. Dadurch entstehen Tumore (Wurzelhalsgallen), die für das Bakterium Nährstoffe produzieren. Verändert man das Bakterium so, dass es zwar noch das Erbgut = Plasmid einschleusen kann, aber keine Tumore mehr auslösen kann, dann ist es eine ideale Genfähre.

gentechnisch veränderte Lebewesen:
Geschichte der Gentechnik:

Fragen:

1)1992 wurde erstmals in Europa Gentherapie am Menschen vorgenommen. Einem Kind mit angeborener Immunschwäche wurden Knochenmarkzellen entnommen, ein intaktes Gen für ein bestimmtes Protein eingeschleust und die "reparierten Zellen" wieder implantiert.
a) Erläutern Sie kurz die einzelnen Arbeitsschritte.
b) Wie ließe sich der erfolgreiche Einbau des Gens vor der Implantation überprüfen?
c) Handelt es sich hier um eine somatische Gentherapie oder um eine Keimbahn-Gentherapie?
     Begründen Sie, indem Sie die Auswirkungen auf künftige Kinder des Patienten überprüfen.
2) Es sind bereits mehrere transgene Maissorten auf dem Markt, die bakterielle Giftstoffe produzieren und damit die gefräßigen Raupen des Maiszünslers (Schmetterling) abtöten. Dazu wird zusätzlich zum Bakterien-Gen ein komplettes funktionstüchtiges Bakterien-Operon in das Mais-Genom übertragen und aktiviert.
Erläutern Sie nach dem Operon-Modell, warum durch diesen zusätzlichen Einbau die Gefahr zu hoher Gift-Konzentrationen in der Maiszelle verhindert wird.
3) 1999 wurde nach 10jährigen Vorarbeiten (Zürich/Freiburg) eine neue transgene Reissorte vorgestellt, die Vitamin A und das wichtige Spurenelement Eisen enthält (= "Golden Rice" wegen der gelben Farbe des Carotin)
a) Warum sind Vitamin A und Eisen für den menschlichen Körper so wichtig? 
b) Erklären Sie stichwortartig, wie die neuen Gene, die aus Pilzen und Bakterien stammen, in die Reiszellen eingeschleust werden konnten.
c) Sammeln Sie Argumente pro und contra Golden Rice als Nahrungspflanze für die Entwicklungsländer. 
4) Suchen Sie nach Gründen, warum "rote" Gentechnik in der Bevölkerung allgemein akzeptiert wird, die "grüne" Gentechnik aber auf große Skepsis stößt.
Seit einigen Jahren gibt es eine Tomatensorte, die besonders lange lagerfähig ist und trotzdem "knackig" bleibt. Der Grund besteht darin, dass  bei normalen Tomaten das Fruchtfleisch durch pflanzeneigene Enzyme verflüssigt wird. Um die Synthese dieses Enzyms zu verhindern, wird ein Anti-Sense-Gen eingeschleust, dessen m-RNA zur m-RNA des unerwünschten Gens komplementär und antiparallel ist. Folge: Die m-RNA wird doppelsträngig und kann deshalb nicht von den Ribosomen zur Protein-Synthese abgelesen werden.

5) Ergänzen Sie in nebenstehendem Schema die fehlenden Basensequenzen.
 
Lösungsvorschlag:

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