Grundlagen und Anwendungen der modernen Biotechnologie

Gene und Genome

Gene sind die Einheiten, die Informationen über den Charakter eines Lebewesens enthalten und vererbbar sind. Als Biomoleküle sind Proteine verantwortlich für die Struktur und Funktion eines Phänotyps (fenotipo). Die Gene sind in langen Ketten in Form von Chromosomen organisiert, die sich in jeder Zelle eines Lebewesens befinden. Schließlich umfasst das Genom den Genpool eines Individuums, der alle benötigten genetischen Informationen enthält.

Anwendungen der Biotechnologie in der Landwirtschaft

In der Landwirtschaft sind insbesondere folgende Anwendungen hervorzuheben:

• Schutz gegen bestimmte Schädlinge
• Herbizidresistenz
• Produktion von gesünderen Nahrungsmitteln wie „Golden Rice“
• Größere Toleranz der Kulturen gegenüber ungünstigen Bedingungen
• Entwicklung neuer Anwendungen wie Biokunststoffe, essbare Impfstoffe oder Zierpflanzen

Biotechnologie in der Industrie: Einsatz von Enzymen

Industrielle Prozesse erfordern den Einsatz von Enzymen. Enzyme ermöglichen Abbauprozesse von Stoffen oder die Verarbeitung eines Stoffes in einen anderen. Die derzeit verwendeten Enzyme werden von Pilzen oder Bakterien produziert, die sich in großen Tanks, den sogenannten Fermentern, vermehren. Mehr als 90 % der auf dem Markt befindlichen Enzyme stammen aus genetisch modifizierten Mikroorganismen. Ein Beispiel hierfür ist die Bearbeitung von Textilien, wie etwa Hosen.

Herstellung von Biokraftstoffen

Als Biokraftstoffe werden Brennstoffe biologischen Ursprungs bezeichnet, die von lebenden Organismen oder deren organischen Überresten stammen. Diese Biokraftstoffe könnten die Treibhausgasemissionen in der Atmosphäre reduzieren. Folgende Arten wurden entwickelt:

• Biodiesel: gewonnen aus Altöl und ölhaltigen Pflanzen
• Bioethanol: ein Alkohol aus Gerste, Weizen oder Mais
• Biogas: ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid

Wichtige Faktoren sind hierbei die Auswirkungen auf Getreidepreise sowie die großen Vorteile durch geringere Emissionen in die Atmosphäre.

Was ist Biotechnologie?

Biotechnologie ist die Gesamtheit der genetischen und biochemischen Technologien, welche die Veränderung von Organismen und biologischen Prozessen erlauben. Sie liefert Produkte, die für Menschen, die Industrie oder die Umwelt hilfreich sein können. Diese Engineering-Techniken werden auch zur Bekämpfung von Krankheiten eingesetzt. Zu den verschiedenen genetischen Technologien gehören die rekombinante DNA-Technik sowie Zellklonierungstechniken zur Kultivierung von Zellen und Geweben.

Rekombinante DNA-Technologie

Dies umfasst Labortechniken zum Isolieren, Kombinieren, Kopieren und Sequenzieren von DNA-Fragmenten sowie das Kombinieren verschiedener DNA in demselben Molekül. Wissenschaftler nutzen diese Techniken, um Gene von einer Zelle auf andere zu übertragen. Es besteht zudem die Möglichkeit, ein Gen für ein Protein in ein Bakterium einzuschleusen, damit dieses schneller wächst. Solche Organismen werden als genetisch veränderte Organismen (GVO) bezeichnet. Wenn bei einer Veränderung des Genoms mehrere Gene aus anderen Arten eingeführt werden, spricht man von transgenen Organismen. Das DNA-Fragment aus verschiedenen Quellen wird als rekombinante DNA bezeichnet. Die Gentechnik befindet sich derzeit auf ihrem Höhepunkt und wird vielseitig eingesetzt.

Herstellung von Insulin mittels DNA-Technologie

Wie gewinnt man beispielsweise Insulin aus einer Zelle? Zuerst muss identifiziert werden, wo sich das Gen befindet. Dann wird das DNA-Fragment, welches das Gen enthält, aus einer Spenderzelle gewonnen und in eine Wirtszelle eingeführt. Die Wirtszelle besitzt nun rekombinante DNA – eine Mischung aus ihrer eigenen DNA und der eingeführten fremden DNA. Wenn sich die Bakterien teilen, entstehen transgene Kopien beider Genome (Prozess des Klonens). Schließlich werden die Bakterien mit dem gewünschten Gen in einem Nährboden kultiviert, wo sie das Protein Insulin produzieren, welches anschließend gereinigt wird.