Grundlagen der Genetik und moderne Gentechnik

Grundlagen der Genetik

Die Einheit der Vererbung ist das sogenannte Gen. Gene folgen definierten Regeln oder Gesetzen. Sie werden übertragen und befinden sich auf den Chromosomen, den Strukturen eines Stoffes im Zellkern. Das Geschlecht wird bei den meisten lebenden Organismen durch das Zusammenwirken von Genen oder Chromosomen bestimmt.

Wichtige Begriffe der Vererbung

• Genotyp: Die genetische Konstitution eines individuellen Charakters oder eine ganze Reihe von Genen.
• Phänotyp: Der äußere Ausdruck der Merkmale eines Individuums.
• Allele: Jede der Varianten, die ein Gen annehmen kann. Für jedes Gen besitzt das Individuum ein Paar Allele, die mit Buchstaben dargestellt werden.
• Homozygot: Ein Individuum besitzt zwei identische Allele.
• Heterozygot: Eine Person trägt zwei verschiedene Allele.
• Locus: Der konkrete Ort auf einem Chromosom, an dem sich ein Gen befindet.

Die Mendelschen Regeln

1. Uniformitätsregel

Die erste Tochtergeneration (F1), die aus der Kreuzung zweier Inzuchtlinien hervorgeht, ist einheitlich, das heißt, sie besitzt den Charakter eines der Elternteile.

2. Segregationsregel

In der zweiten Generation erscheint der Typ wieder, der in der ersten Generation nicht manifestiert wurde, da die Faktoren in den Gameten getrennt werden und in den Nachkommen wieder zusammentreffen.

3. Unabhängigkeitsregel

Die Besonderheiten der verschiedenen Faktoren folgen den oben genannten Regeln, ohne die Verhältnisse der anderen zu beeinflussen.

Die DNA und Nukleinsäuren

In jeder Zelle eines Lebewesens befindet sich ein Molekül im Kern, das Informationen wie eine Bibliothek speichert. Diese enthält die Anweisungen zur Entwicklung der grundlegenden Merkmale des Lebens: das DNA-Molekül.

Bestandteile der Nukleinsäuren

• Eine stickstoffhaltige Base (5 verschiedene: Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin und Uracil).
• Eine Pentose (Ribose oder Desoxyribose).
• Eine Phosphatgruppe.

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA).

Aminosäuren und Proteinsynthese

Proteine sind Polymere, also Ketten aus Grundeinheiten. In diesem Fall sind es Aminosäuren. Es existieren 20 verschiedene Aminosäuren, die in langen Ketten Proteine bilden.

Der Prozess der Eiweißsynthese

• Transkription: Während dieser Etappe wird die in der DNA gespeicherte Information auf eine Übertragungs-RNA (mRNA) übertragen. Diese besteht aus komplementären Basen eines DNA-Strangs. Dabei wird Adenin zu Uracil statt zu Thymin.
• Translation: Eine Kette von Aminosäuren wird gebildet, um die Nukleotidsequenz der mRNA zu bestimmen.

Der genetische Code

Der genetische Code beschreibt die Korrespondenz zwischen Nukleotiden und Aminosäuren. Er ist universell, was bedeutet, dass alle Lebewesen denselben Code verwenden.

Rekombinante DNA-Technologie

Als transgene Organismen werden Lebewesen bezeichnet, die sich aus einer Zelle entwickeln, in die ein DNA-Fragment eines anderen Lebewesens in das Genom integriert wurde. Bei Bakterien oder Viren spricht man oft von rekombinanten Organismen.

Ablauf der Genklonierung

1. Das gewünschte Gen wird auf dem Chromosom einer tierischen Zelle isoliert.
2. Vektoren dienen als Fahrzeuge zur Einbringung der Gene in andere Zellen.
3. Chromosomale DNA wird mit Restriktionsenzymen in kleine Stücke fragmentiert.
4. Das isolierte Gen bindet durch Ligasen an ein Plasmid.
5. Die neue rekombinante DNA wird in Bakterien eingeführt, wodurch ein Klon von Zellen entsteht (z. B. für die Insulinproduktion).

Medizinische Anwendungen

Herstellung von Medikamenten

Ein Beispiel ist die Produktion von Interferon, einem natürlichen Protein menschlicher Zellen. Früher war es schwer zu extrahieren; heute wird das Gen in Bakterien geklont, um große Mengen zu produzieren. Ebenso wird Humaninsulin für Diabetiker aus Bakterienkulturen gewonnen.

Gentherapie

• Einschleusen des gewünschten Gens in Zellen.
• Integration der Zellen in den Körper.
• Ex-vivo: Zellen werden entnommen, genetisch verändert und wieder eingesetzt.
• In-vivo: Gene werden über Vektoren direkt im Blutkreislauf zu den Zielzellen transportiert.

Klinische Diagnostik

Die Identifizierung von Genen ermöglicht eine frühzeitige Diagnose, um Krankheiten zu verhindern oder deren Verlauf zu mildern. Mit DNA-Sonden können Krankheiten oft schon vor dem Auftreten erster Symptome erkannt werden.

Anwendungen in Landwirtschaft und Tierzucht

• Landwirtschaft: Erzeugung von Klonen identischer Pflanzen mit neuen gentechnischen Verfahren.
• Tiere: Transgene Tiere dienen als Modelle für die medizinische Forschung oder zur Optimierung der genetischen Selektion. Ein Beispiel ist die Produktion von Faktor VIII in der Milch transgener Kühe.

Umwelttechnik und Bioremediation

• Bioremediation: Einsatz gentechnisch veränderter Organismen zum Abbau von Öl und dessen Derivaten.
• Bioadsorption: Engineering von Bakterien zur Entfernung toxischer Ionen von Oberflächen.
• Anreicherung von Belebtschlamm in Kläranlagen zur biologischen Reinigung.

Das Human Genome Project

Das menschliche Genom enthält überraschenderweise weniger als 30.000 Gene (statt der vermuteten 100.000). Die Unterschiede zu anderen Arten sind geringer als erwartet.

Reproduktionsmedizin und Klonen

Assistierte Reproduktion

• Künstliche Befruchtung: Einbringen von Samen (Partner oder Spender) in die Gebärmutter.
• In-vitro-Fertilisation: Befruchtung im Labor und anschließende Implantation des Embryos in die Gebärmutterschleimhaut (Blastozystenphase).

Klonen

• Klonen von Zellen oder Gewebe für die Forschung oder therapeutische Zwecke.
• Reproduktives Klonen zur Erzeugung genetisch identischer Organismen (z. B. bei bedrohten Tierarten).

Bioethik

Bioethik ist die Anwendung ethischer Prinzipien auf die Biowissenschaften. Sie fördert die Erziehung in diesem Bereich und die Einsetzung unabhängiger Bioethik-Ausschüsse.