Grundlagen der Genetik und Biotechnologie

Vererbung von Merkmalen

Die Welt besteht aus zwei Arten von Objekten: Atomen und Molekülen. Der Unterschied besteht darin, dass die einen, Lebewesen genannt, fähig sind, Kopien von sich selbst anzufertigen, während die anderen, die träge Materie, dies nicht sind. Kinder erben die Eigenschaften ihrer Eltern. Lebewesen erstellen Kopien von sich selbst, indem sie Informationen darüber speichern und übermitteln, wie sie beschaffen sind und wie sie aufgebaut werden.

Lebewesen entwickeln sich

Die Kopien von sich selbst sind nahezu identisch, doch kleine Abweichungen sind der Schlüssel zu ihrer Vielfalt und bilden die Grundlage für die Evolution der Arten. Die natürliche Selektion sorgt dafür, dass die Stärksten überleben, ähnlich wie ein Viehzüchter die besten Tiere auswählt. Ändert der Betriebsinhaber seine Auswahlkriterien, spricht man von künstlicher Züchtung.

Mendel: Der Unterschied liegt in den Genen

Was Darwin sagte, überzeugte niemanden. Darwin glaubte, dass sich die Merkmale der Eltern mit denen der Kinder vermischten, was die Vielfalt der Lebewesen zerstören und somit keine natürliche Selektion, wie von Darwin postuliert, ermöglichen würde. Mendel zeigte später, dass die Einheiten der Vererbung, die Merkmale bestimmen, sich nicht vermischen. Diese Einheiten der Vererbung sind die Gene. Mendel experimentierte mit Erbsen. Er pflanzte reine Sorten und kreuzte sie. Die Eltern waren: A (große, grüne Erbsen) und B (kleine, gelbe Erbsen). In der ersten Generation waren alle Pflanzen hoch und gelb. Nach der Kreuzung der Nachkommen waren nicht mehr alle gleich; einige ähnelten den ursprünglichen Eltern (A oder B), andere zeigten neue Merkmalskombinationen. Fazit: Jedes Merkmal wird unabhängig übertragen und kann zu Nachkommen führen, die sich von den Eltern unterscheiden.

Mendels Fazit: Die Vererbung von Merkmalen

Mendel schloss, dass die Merkmale der Großeltern bei den Enkeln wieder auftauchten, obwohl sie bei den Eltern verloren gegangen waren. Dies bewies, dass sich Merkmale nicht vermischen und bestätigte, dass erbliche Faktoren als einzelne Einheiten über Generationen hinweg weitergegeben werden. Es gibt zwei Versionen eines Gens (eine vom Vater und eine von der Mutter). Man spricht davon, dass eine Version über die andere dominiert. Was die Merkmale bestimmt, nannte Mendel 'Vererbung'. Im Jahre 1909 wurde dies von Wilhelm Johannsen als 'Gen' bezeichnet. Ein Gen ist eine Einheit der genetischen Information, die ein bestimmtes Merkmal steuert. Nun galt es herauszufinden, wo sich diese Gene befinden und wie sie funktionieren.

• Phänotyp: Das ist das, was sich äußerlich zeigt (z. B. blonde Haare, blaue Augen).
• Genotyp: Die genetische Ausstattung, die ein Merkmal bestimmt, unabhängig davon, ob es sich äußerlich manifestiert.

Wo befinden sich die Gene?

Sie sind im Zellkern zu finden, da dort die DNA liegt, welche die Proteinsynthese und den Mechanismus der Vererbung steuert.

Chromatin und Chromosomen

Fleming entdeckte 1882 im Zellkern eine färbbare Substanz namens Chromatin. Während der Zellteilung, der Mitose, verdichtet sich das Chromatin zu fadenförmigen Strukturen, die dann Chromosomen genannt werden. Der Mensch hat 23 Chromosomenpaare. Eines dieser Paare sind die Geschlechtschromosomen: XX bei Frauen und XY bei Männern. Es gibt mehrere Gene auf den Chromosomen, sodass ein Gen einem bestimmten Abschnitt eines Chromosoms entspricht.

Befruchtung und genetische Ausstattung

Sutton stellte 1902 fest, dass die Geschlechtszellen der Heuschrecke Chromosomen nur einzeln enthielten, während sie in den übrigen Zellen paarweise auftraten. Das bedeutet, dass menschliche Körperzellen 23 Chromosomenpaare (also 46 Chromosomen) besitzen, während Geschlechtszellen (Gameten) nur 23 einzelne Chromosomen enthalten.

Woraus bestehen Gene?

Gene sind Teile von Chromosomen. Um jedoch zu verstehen, wie sie wirken, müssen wir die Zusammensetzung der Chromosomen kennen, in denen die Informationen gespeichert sind, die vom Vater auf den Sohn weitergegeben werden. Man dachte, dass Chromosomen aus zwei Arten von Makromolekülen bestehen: Proteinen und DNA. Griffith führte 1928 ein Experiment durch und stellte fest, dass das Molekül, das die Erbinformationen speichert, die DNA und nicht das Protein ist. Das DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen, die aus einer hohen Anzahl chemischer Verbindungen, den Nukleotiden, aufgebaut sind. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten:

• einer stickstoffhaltigen Base
• einem Zucker (Desoxyribose)
• einer Phosphorsäuregruppe

Die DNA-Doppelhelix

Gene bestehen aus DNA. Der Schlüssel zum Verständnis ihrer Struktur wurde 1953 von Watson und Crick geliefert. Sie nutzten zwei wichtige Beweise:

1. Röntgenbeugungsbilder von DNA-Fasern, die auf eine helikale Struktur des DNA-Moleküls hindeuteten.
2. Chargaffs Regeln, die das Verhältnis der stickstoffhaltigen Basen in der DNA beschrieben.

DNA-Replikation

Heute wissen wir, dass Gene durch die Verdopplung des DNA-Moleküls kopiert werden. Es funktioniert wie ein Reißverschluss, der sich in zwei Stränge öffnet. Die Vervielfältigung erfolgt durch Basenpaarung, die als Mechanismus zur Replikation des genetischen Materials dient.

Wozu dienen Gene?

Gene dienen dazu, Erbinformationen an die Nachkommen zu übertragen. Sie exprimieren Informationen über den genetischen Code. Der genetische Code ist eine Reihe von Anweisungen, die verwendet werden, um Proteine aus der Reihenfolge der Nukleotide zu bilden, die die DNA formen. Jede Gruppe von drei Nukleotiden (ein Codon) kodiert für eine Aminosäure.

• Nukleotide: Chemische Verbindungen der DNA-Stränge. Jedes Nukleotid hat drei Komponenten: eine stickstoffhaltige Base, eine Pentose (Zucker) und eine Phosphorsäuregruppe.
• Aminosäuren: Proteine, die die meisten biologischen Funktionen erfüllen, sind Ketten, die aus einer Abfolge einfacherer Moleküle, den Aminosäuren, bestehen.

Gene speichern genetische Informationen, aus denen Proteine hergestellt werden.

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie

Die Proteinsynthese findet an den Ribosomen statt. In einer Zelle gibt es Hunderttausende von Ribosomen. Die Ribosomen befinden sich im Zytoplasma. Da die DNA im Zellkern liegt, wird ein Vermittlermolekül benötigt, das die genetische Information von der DNA zu den Ribosomen transportiert.

Arten von RNA

• Ribosomale RNA (rRNA): Ist Bestandteil der Ribosomen.
• Transfer-RNA (tRNA): Ist eine Sammlung von Adaptermolekülen, die an Ribosomen binden, eine Verbindung zur Messenger-RNA herstellen und die andere mit einer Aminosäure.
• Boten-RNA (mRNA): Ist ein Vermittler, der die genetische Botschaft von der DNA zu den Ribosomen transportiert.

Wie funktioniert die Proteinsynthese?

Die DNA im Zellkern gibt die Nachricht an die Boten-RNA weiter. Die Boten-RNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen und erreicht das Zytoplasma, wo sie sich an ein Ribosom bindet. Dort liest und übersetzt das Ribosom die verschlüsselte Nachricht, die die DNA übermittelt. Die Transfer-RNA (tRNA) wählt eine Aminosäure aus, die spezifisch für jede Gruppe von drei Nukleotiden (Codon) in der Boten-RNA ist.

Das menschliche Genom: Sequenzierung & nicht-kodierende DNA

Der nächste Schritt bestand darin, die DNA-Sequenz zu lesen und alle Daten in Genom-Datenbanken zu speichern. Das Genom eines Organismus ist die Gesamtheit seiner genetischen Information. Im Jahr 2003 wurde das menschliche Genom öffentlich zugänglich gemacht. Der Mensch hat etwa 23.000 Gene, die nur etwa 2 % des Genoms ausmachen. Viele dieser Gene werden von DNA-Sequenzen unterbrochen, die keine Proteine kodieren und Introns genannt werden. In der DNA können unterschieden werden:

• Exons: Exons sind die Abschnitte der DNA in einem Gen, die Proteine kodieren.
• Introns: Introns sind die Abschnitte der DNA innerhalb eines Gens, die nicht in Proteine übersetzt werden.

Als 'Junk-DNA' werden DNA-Abschnitte bezeichnet, die nicht zu einem Gen gehören und keine Proteine kodieren. Tatsächlich besteht der größte Teil des Genoms aus 'Junk-DNA'.

Genomik und Komplexität

Die Genomik ist der Teil der Biologie, der sich mit der Erforschung von Genomen befasst. Sie wird in der Erforschung von Krankheiten wie Krebs eingesetzt. Die Anzahl der Proteine, die vom Genom kodiert werden, ist größer als die Anzahl der Gene, da einige Gene für mehr als ein Protein kodieren können. Die Proteomik ist für die Untersuchung aller vom Genom kodierten Proteine verantwortlich.

Genmanipulation und Gentechnik

Im Jahr 1972 hatte sich die Molekularbiologie stark entwickelt. Man erkannte die Grundlagen des Lebens und begann zu verstehen, wie diese reguliert wurden. Von da an begann man, Lebewesen zu manipulieren. Die rekombinante DNA-Technologie ermöglichte es, DNA-Moleküle gezielt zu verändern. Klonen ist die Anfertigung identischer Kopien von etwas Bestimmtem.

Werkzeuge der Biotechnologie

Die Werkzeuge zur Manipulation von DNA sind:

• Zum Schneiden: Restriktionsenzyme
• Zum Einfügen: DNA-Ligase
• Zum Kopieren: Plasmide (kleine, ringförmige DNA-Moleküle in Bakterien). Eine Methode zur Einführung von Plasmiden in Bakterien wie Escherichia coli wurde entdeckt und als Transformation bezeichnet.

Mit diesen Werkzeugen gelang Cohen und Boyer 1972 das erste Klonen eines Gens, indem sie menschliche genetische Information in Bakterien einfügten, um menschliche Proteine zu produzieren.

Biotechnologie: Anwendung und Protein-Engineering

Durch die Anwendung des Protein-Engineerings entstand eine neue Branche: die Biotechnologie. Das erste kommerziell hergestellte Produkt war Humaninsulin. Weitere Proteine, die durch die Biotechnologie auf den Markt gebracht wurden, sind:

• Menschliches Interferon (zur Behandlung von Multipler Sklerose)
• Wachstumshormon
• DNA-Polymerase I
• Medikamente für Mukoviszidose
• Rekombinante proteinbasierte Impfstoffe (z. B. Hepatitis B)

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Technik, die eine Schlüsselrolle in der Entwicklung der Genetik gespielt hat. Sie wurde 1986 von Kary Mullis erfunden. Die Technik kann DNA-Proben schnell vervielfältigen.

Transgene Organismen

Transgene Organismen sind gentechnisch veränderte Organismen, die ein fremdes Gen tragen. So wurden unter anderem erhalten:

• Super-abbauende Bakterien (z. B. zur Ölbekämpfung)
• Bakterien, die biologisch abbaubare Kunststoffe produzieren
• Resistente Pflanzen oder Insekten

Stammzellen und Klonen

Ein Forschungszweig in der Biotechnologie, der mit der Zellentwicklung verbunden ist, sind die Stammzellen. Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich zu Zellen anderer Gewebe entwickeln können. Ihre Bedeutung liegt darin, dass man in Zukunft Gewebe und Organe mit der gleichen genetischen Information der Person herstellen kann, um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden. Es gibt verschiedene Typen von Stammzellen:

• Embryonale Stammzellen
• Stammzellen aus der Nabelschnur
• Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen): Adulte Zellen (z. B. aus der Haut) werden mithilfe von Viren umprogrammiert. Viren werden hierbei als 'gute Boten' genutzt, da sie die enorme Fähigkeit besitzen, Zellen zu infizieren und das notwendige genetische Material in die Zelle einzuschleusen.

Gentherapie

Die Gentechnik hat die molekulare Medizin revolutioniert und neben der Entwicklung leistungsfähiger Diagnosewerkzeuge auch die Gentherapie ermöglicht, die darauf abzielt, Erbkrankheiten endgültig zu heilen.