Biotechnologie: Methoden, Anwendungen und ethische Aspekte

Biotechnologie: Grundlagen und Werkzeuge

Die Biotechnologie, insbesondere die DNA-Technologie, auch Gentechnik oder rekombinante Molekularbiologie genannt, ermöglichte es dem Menschen, Moleküle und DNA-Sequenzen zu entwerfen, die in der Natur nicht existieren.

Werkzeuge der Biotechnologie

• Restriktionsenzyme: Sie sind in der Lage, DNA in bestimmten Sequenzen zu schneiden, ähnlich einer molekularen Schere.
• DNA-Ligase: Dieses Enzym kann DNA-Fragmente, die durch andere Enzyme geschnitten wurden, wieder zusammenfügen.
• Plasmide: Dies sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die in Bakterien leben. Sie werden als Vektoren in der Gentechnik genutzt, um genetisches Material in Bakterien einzuführen, ein Prozess, der als Transformation bezeichnet wird.

Wissenschaftler wie Boyer und Cohen gelang das erste Klonen eines Gens, indem sie menschliche genetische Informationen in Bakterien einführten, um menschliche Proteine herzustellen.

Herstellung rekombinanter Proteine

Das erste kommerziell produzierte rekombinante Protein war Humaninsulin. Die Herstellung von menschlichem Insulin in Bakterien ermöglichte es, auf Insulin aus Schweine- oder Rinderbauchspeicheldrüsen zu verzichten, da es identisch mit dem menschlichen Protein ist und somit Probleme vermieden werden konnten.

Weitere kommerzielle Anwendungen rekombinanter Proteine in der pharmazeutischen Industrie umfassen:

• Humanes Interferon: zur Behandlung von Multipler Sklerose.
• Wachstumshormon: zur Behandlung von hypophysärem Kleinwuchs.
• Protein-Impfstoffe: wie der Hepatitis-B-Impfstoff.

Auch in anderen Industrien finden rekombinante Proteine Anwendung:

• In der Lebensmittelindustrie: Rinder-Somatotropin (BGH) und Chymosin.
• In der Waschmittelindustrie: hocheffiziente Lipasen (z.B. Lipolase) mit schmutzabweisenden Eigenschaften, Subtilisin und Bleichmittel, die bei hohen Temperaturen wirken.

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Technik, die eine Schlüsselrolle in der Genetik spielt. Von Kary Mullis erfunden, ermöglicht sie die schnelle Amplifikation von DNA-Proben, um eine signifikante Menge DNA aus einer sehr kleinen Ausgangsprobe zu erhalten.

Der PCR-Prozess läuft in mehreren Schritten ab:

1. Benötigte Komponenten: Primer (kurze DNA-Sequenzen, die die Reaktion starten), Taq-Polymerase (ein Enzym, das neue DNA-Stränge synthetisiert) und Desoxyribonukleotide (Bausteine der DNA).
2. Denaturierung: Die DNA-Doppelstränge werden durch Erhitzen auf ca. 94-95°C getrennt. Dieser Prozess wird als Denaturierung bezeichnet.
3. Annealing: Die Temperatur wird auf ca. 55°C gesenkt, damit die Primer an die komplementären DNA-Stränge binden können.
4. Elongation: Die Taq-Polymerase synthetisiert bei einer optimalen Temperatur von ca. 72°C neue DNA-Stränge, ausgehend von den Primern.
5. Wiederholung: Die Schritte 2-4 werden etwa 30 Mal wiederholt. Nach jedem Zyklus verdoppelt sich die Menge der DNA. Am Ende wird die Temperatur auf ca. 4°C gesenkt, um die Probe zu stabilisieren.

Anwendungen der PCR umfassen:

• Diagnose von Infektions- und Erbkrankheiten.
• Identifizierung und Analyse von DNA-Sequenzen.
• Studien zur Evolution.

Transgene Organismen

Transgene Organismen sind genetisch veränderte Organismen, denen ein fremdes Gen eingefügt wurde. Beispiele hierfür sind:

• Bakterien, die Öl abbauen können.
• Bakterien, die biologisch abbaubare Kunststoffe produzieren.
• Pflanzen, die resistent gegen Schädlinge sind (z.B. Mais).

Der Einsatz transgener Organismen muss sorgfältig abgewogen werden, da sie potenziell schwerwiegende Umweltprobleme verursachen können.

Stammzellen und Klonierung

Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich zu verschiedenen Gewebetypen entwickeln können (z.B. Herz-, Hautzellen). Sie sind von großer Bedeutung für die Forschung, da sie das Potenzial haben, verschiedene menschliche Zellen zu regenerieren.

Es gibt verschiedene Typen von Stammzellen:

• Embryonale Stammzellen: gewonnen aus überzähligen Embryonen der In-vitro-Fertilisation.
• Stammzellen aus der Nabelschnur oder adulte Stammzellen.
• Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen): Diese wurden aus adulten Hautzellen gewonnen und von Shinya Yamanaka entdeckt.

Warum werden Viren in der Gentechnik verwendet? Viren haben die Fähigkeit, Zellen zu infizieren und ihr genetisches Material einzuschleusen. Wenn das virale Erbgut durch gewünschte Gene ersetzt wird, können Viren als effiziente Vektoren dienen, um diese Gene in Zielzellen zu transportieren.

Gentherapie

Die Gentherapie zielt darauf ab, genetische Defekte zu beheben, indem Gene in die Zellen eines Patienten eingebracht werden. Dabei wird ein normales Gen in die Zellen oder Organe eingesetzt, um ein fehlerhaftes Gen zu ersetzen oder dessen Funktion zu korrigieren.

Die Anwendung erfolgt entweder in vivo oder ex vivo:

• In-vivo-Therapie: Die rekombinante DNA (z.B. in Liposomen oder Viren verpackt) wird direkt in den Patienten eingebracht.
• Ex-vivo-Therapie: Zellen des Patienten werden entnommen, außerhalb des Körpers mit der gewünschten DNA verändert und anschließend wieder in den Patienten transplantiert.

Obwohl die Gentherapie vielversprechend ist, birgt sie Risiken wie Immunreaktionen oder die Induktion von Krebs.

Genetischer Fingerabdruck

Diese Technik basiert auf dem Vergleich hochrepetitiver Regionen im Genom, deren Sequenz bei zwei Individuen – außer bei eineiigen Zwillingen – extrem unwahrscheinlich übereinstimmt. Sie wird auch zur Bestimmung der Kompatibilität bei Organspenden eingesetzt.