Gentechnik & Biotechnologie: Grundlagen, Techniken & Anwendungen

Die Welt der Gentechnik: Von der Entdeckung zur Anwendung

Obwohl die Struktur der DNA Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts von dem britischen Wissenschaftler Francis Crick und dem Amerikaner James Watson entdeckt wurde, gab es nach mehr als einem Jahrzehnt grundlegender Forschungsarbeit ab 1970 einen entscheidenden Durchbruch mit der Entwicklung zweier fundamentaler biologischer Werkzeuge:

• a) Die Identifizierung von Restriktionsenzymen.
• b) Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR).

Mit diesen beiden Werkzeugen, einer Reihe weiterer Techniken und einem vertieften Wissen über Gene entstand die Biotechnologie. Diese Wissenschaft integriert Natur- und Ingenieurwissenschaften, um Organismen, Zellen, deren Bestandteile und Moleküle für die Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen zum Nutzen des Menschen einzusetzen. Parallel dazu entwickelte sich die Gentechnik, die eine Reihe von Technologien umfasst, um Gene eines Lebewesens zu manipulieren.

Da jede Manipulation ambivalent ist, ist die Gentechnik ein zweischneidiges Schwert: Dieselben Techniken können sowohl zur Verbesserung als auch zur Zerstörung oder Heilung eingesetzt werden.

Schlüsseltechniken der Gentechnik

1. Rekombinante DNA-Technologie

Diese Technik ermöglicht es, ein DNA-Fragment aus einem Organismus zu isolieren und in die fremde DNA eines Wirtsorganismus einzufügen. Das Ergebnis ist eine rekombinante DNA. Ein Beispiel hierfür ist die Einführung von Virus-DNA in die zelluläre DNA. Diese Technik wird mithilfe von Restriktionsenzymen durchgeführt, die die DNA an spezifischen Stellen "schneiden" (oft als molekulare Scheren bezeichnet). Die rekombinante DNA-Technologie erlaubt es, große Mengen an DNA-Fragmenten zu gewinnen, die das gewünschte Gen oder die gewünschten Gene enthalten. Diese DNA kann anschließend in die Zellen anderer Organismen (pflanzliche, tierische oder bakterielle) inkorporiert werden, wo die Informationen dieser Gene "exprimiert" werden können.

2. DNA-Sequenzierungstechniken

Diese Techniken ermöglichen die Identifizierung der Nukleotidsequenz, aus der die DNA besteht. Sie sind grundlegend, um Gene im Labor zu isolieren, zu verändern und auf andere Zellen zu übertragen. Aufbauend auf dem Wissen, dass die DNA-Replikation die Trennung der Doppelhelix beinhaltet und dass DNA-Polymerase-Enzyme die Synthese von DNA aus Desoxyribonukleotiden unter Verwendung eines DNA-Moleküls als Matrize katalysieren, wurden Techniken zur DNA-Sequenzierung entwickelt. Die enzymatische Sequenzierungsmethode verwendet eine Form von methylierter DNA (einen der beiden Stränge der DNA-Helix) und einen Primer, der die Kopplung am Beginn der DNA-Synthese ermöglicht, wo die Sequenzierung beginnen soll. Der Primer erlaubt es dem Enzym DNA-Polymerase, den komplementären Strang der DNA-Matrize zu kopieren, indem es die Vermittlung von Nukleotiden leitet. Diese enzymatische Methode hat zur Entwicklung der heute weit verbreiteten automatisierten DNA-Sequenzierung geführt.

3. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Die PCR ist eine enzymatische In-vitro-Reaktion (im Labor), die die Amplifikation von Genen ermöglicht. Dies geschieht durch eine Reihe wiederholter Zyklen, in denen die DNA-Sequenz denaturiert (getrennt) wird, anschließend renaturiert oder hybridisiert (Kombination der beiden komplementären Einzelstränge zu einem doppelsträngigen Molekül) mit Primern, neue DNA als Verlängerung der Primer synthetisiert wird und dann erneut denaturiert wird, um den nächsten Zyklus zu ermöglichen. Ziel ist es, die Anzahl der Kopien eines bestimmten DNA-Fragments exponentiell zu erhöhen, ohne es zuvor isolieren zu müssen.

Anwendungen der Gentechnik

• Herstellung transgener Organismen: Produktion von transgenen Pflanzen und Tieren, Tierzucht für spezifische Zwecke (z.B. Organspende), Gewinnung von genetisch veränderten Mikroorganismen (GVO) zur Herstellung pharmazeutischer oder anderer nützlicher Produkte, wie z.B. Humaninsulin.
• Diagnose von Krankheiten: Früherkennung von erblichen Krankheiten oder solchen, die durch Genveränderungen verursacht werden. Eine frühzeitige Diagnose kann zu notwendigen Behandlungen führen, die die Folgen der Krankheit vermeiden oder mildern.
• Gentherapie: Zweifellos die bedeutendste Anwendung dieser Techniken ist die Gentherapie, die darauf abzielt, ein mutiertes Gen im Erbgut zu korrigieren oder durch ein nicht-mutiertes Gen zu ersetzen.
• Identifikation und Analyse: Identifikation von Arten, Bestimmung des genetischen Fingerabdrucks von Individuen, Sequenzierung fossiler DNA und Bestimmung der Nukleotidsequenz des Genoms verschiedener Arten.