Genetik und Biotechnologie: DNA, Gentechnik und ihre Anwendungen

Revolution in Genetik und Biotechnologie

Einleitung

Dank genetischer Entdeckungen im 20. Jahrhundert wurden revolutionäre Techniken entwickelt, darunter:

• Die In-vitro-Fertilisation (IVF)
• Das Klonen
• Die Gentherapie (Heilung von Krankheiten durch Manipulation der Gene)

Die Genetik hat sich rasant entwickelt, insbesondere dank der Entdeckung der DNA.

DNA und RNA: Die Grundlagen

Diese Nukleinsäuren werden so genannt, weil sie sich im Kern der Zelle befinden.

Chemische Zusammensetzung

• Eigenschaften: Die DNA muss die genetische Information über die Zeit hinweg aufrechterhalten können, damit diese bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben wird.
• Warum sind wir unterschiedlich, obwohl wir aus DNA bestehen? Der Unterschied zwischen Menschen liegt in der Reihenfolge ihrer Nukleotide (z. B. ist ATG nicht dasselbe wie GTA).
• Wie kann sich die DNA teilen (oder kopieren)?
  • Durch die Erzeugung einer exakten Kopie (natürliches Klonen).
  • Während der Mitose (Zellteilung) trennen sich die beiden DNA-Stränge, und jeder dient als Vorlage zur Bildung des komplementären Strangs.
• Erbliche Information: Die genetische Information der DNA ist in den Genen enthalten. Gene sind DNA-Segmente, aus denen die Chromosomen bestehen (der Mensch hat etwa 35.000 Gene). Der gesamte Satz von Genen wird als Genom bezeichnet (im Falle des Menschen: das menschliche Genom).
• Warum sind Gene wichtig? Sie enthalten die Information zur Herstellung von Proteinen (Eiweißen). Proteine sind Moleküle, die für die Struktur und die Funktionen der Zelle verantwortlich sind.
• Was sind Proteine und welche Funktion haben sie? Ein Protein ist eine Vereinigung von Aminosäuren. Je nach Reihenfolge der Aminosäuren entsteht ein anderes Protein. Jedes Gen codiert für ein Protein, und jede Zelle produziert Proteine.

• Genetischer Code: Das Regelwerk, das die Nukleotidsequenz der DNA mit der Aminosäuresequenz eines Proteins in Beziehung setzt. Er besteht aus einem Code aus drei Buchstaben (Triplett oder Codon). Daraus können wir die Sequenz der mRNA (Messenger-RNA) aus der DNA ableiten.
• Biotechnologie und Proteine: Die Biotechnologie kann menschliche Proteine in anderen (nicht-menschlichen) Zellen produzieren, da alle Zellen bei der Proteinherstellung den gleichen Regeln folgen.

Das Humangenomprojekt (HGP)

Biotechnologie und Gentechnik

Definition Biotechnologie

Die Biotechnologie umfasst genetische und biochemische Prozesse, die es dem Menschen ermöglichen, Organismen und biologische Verfahren zu verändern, um nützliche Produkte zu erhalten.

Der Teil der Biotechnologie, der genetische Verfahren verwendet, wird als Gentechnik bezeichnet. Sie hat die Produktion von transgenen Pflanzen und Tieren sowie von Antikörpern ermöglicht.

Welche Techniken nutzt die Gentechnik?

• Isolieren, Kombinieren, Kopieren und Sequenzieren von DNA-Fragmenten sowie die Kombination von DNA verschiedener Arten zu einem neuen DNA-Molekül. So kann man das Gen für ein menschliches Protein in Bakterien eingeben und große Mengen des Proteins erhalten, da sich Bakterien viel schneller vermehren als menschliche Zellen.

Wenn einem Lebewesen einer Spezies ein oder mehrere Gene aus einem Organismus einer anderen Spezies eingefügt werden, spricht man von einem transgenen Organismus.

Anwendungen der Gentechnik in der Medizin

• Herstellung von Arzneimitteln: Produktion von Humaninsulin, Antibiotika und anderen Medikamenten.
• Gentherapie: Lokalisierung genetischer Ursachen von Krankheiten und deren Ersatz durch ein gesundes Gen.
• Produktion von Impfstoffen:
  1. Isolierung von Proteinen aus der Oberfläche eines Virus oder Bakteriums, das die Krankheit verursacht.
  2. Klonierung der Gene und Übertragung der Protein-Information auf andere Bakterien in Fabriken, die diese Proteine in großen Mengen herstellen.
  3. Reinigung des Proteins und Injektion in den Menschen. Der menschliche Körper bildet Antikörper gegen das Protein und wird dadurch immun gegen die Erkrankung (z. B. Hepatitis B).
• Transgene Tiere: Erzeugung transgener Tiere, deren Zellen das gewünschte Gen bereits in der Zygote (der ersten Zelle des Embryos) enthalten. Dies ermöglicht die Entwicklung von Tieren, die resistent gegen Krankheiten sind oder Medikamente produzieren.

Anwendungen der Gentechnik in der Landwirtschaft

Während klassische genetische Kreuzungen neue Pflanzen mit bestimmten Merkmalen hervorbrachten, ist die Verbesserung durch Biotechnologie schneller, weil:

1. Spezifische Gene für das gewünschte Merkmal eingefügt werden können.
2. Gene aus anderen Arten eingeführt werden können.

Ziele der Gentechnik in der Landwirtschaft

• Verzögerung der Fruchtreife.
• Stickstoffassimilation: Pflanzen sollen mehr Stickstoff aus der Atmosphäre statt aus dem Boden aufnehmen, um die Einleitung von Nitrat in den Boden zu begrenzen und die Proteinsynthese zu erhöhen.
• Resistenz gegen Herbizide: Übertragung eines Gens, das Pflanzen resistent gegen Unkrautvernichtungsmittel macht.
• Resistenz gegen Insekten: Einfügen eines Gens, das ein Insektizid produziert, das jedoch weder Pflanzen noch Menschen schädigt.
• Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten: Einfügen von Genen, die bestimmte Schädlinge oder Krankheiten abwehren können.
• Produktion von Substanzen: Produktion natürlicher Substanzen oder sogar von Kunststoffmolekülen (z. B. Kartoffeln, die Kunststoff produzieren).

Anwendungen in der Umwelttechnik

(Anwendungen in der Erprobung)

• Akkumulation von Schwermetallen: Gewinnung von Pflanzen, die Schwermetalle (wie Blei, Pb, oder Quecksilber, Hg) akkumulieren. Da sich diese metallischen Verunreinigungen stark in den Pflanzengeweben anreichern, müssen die gesammelten Pflanzen anschließend in metallurgischen Anlagen entsorgt werden.
• Abbau von Kohlenwasserstoffen: Einsatz von Bakterien zum Abbau von Kohlenwasserstoffen (hauptsächlich Erdöl) nach Einleitungen ins Meer.
• Entfernung von Nitraten und Sulfaten: Einsatz von Bakterien zur Entfernung überschüssiger Nitrate und Sulfate aus dem Wasser, um übermäßiges Algenwachstum und die damit verbundene Sauerstoffzehrung zu verhindern.