Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie: DNA, Mendel und Gentechnik

Grundlagen der Genetik

Die Genetik ist die Wissenschaft der biologischen Vererbung. Sie untersucht Gene und deren Ausdruck in Organismen.

Die Anfänge: Klassische Mendelsche Genetik

Die ersten Schritte in diesem Bereich gehen auf Gregor Mendel zurück, der die Übertragung bestimmter Merkmale bei Erbsen und anderen Pflanzen untersuchte. Er analysierte Kreuzungen statistisch, um die Vererbung bei den Nachkommen zu bestimmen.

Im 20. Jahrhundert wurde eine Reihe von Begriffen geprägt, die als klassische Mendelsche Genetik zusammengefasst werden. Diese basieren auf grundlegenden Prinzipien:

1. Die Einheit der Vererbung ist das Gen.
2. Gene werden nach definierten Gesetzen übertragen.
3. Gene liegen auf Chromosomen.
4. Das Geschlecht wird durch Gene auf den Geschlechtschromosomen bestimmt.

Grundlegende Konzepte der Vererbung

• Genotyp: Die genetische Konstitution eines Individuums bezüglich eines Merkmals.
• Phänotyp: Der äußere Ausdruck des Genotyps (z. B. Farbe, Form).
• Allele: Alternative Ausprägungen eines einzelnen Gens (z. B. dominant, rezessiv). Es können auch mehr als zwei Allele existieren.
• Homozygot/Heterozygot: Individuen mit gleichen oder verschiedenen Allelen für ein bestimmtes Merkmal.
• Locus: Die spezifische physikalische Position, an der sich ein Gen auf einem Chromosom befindet.

Übergang zur Molekularen Genetik

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts war die wahre Natur der Gene unbekannt. Avery, McLeod und McCarty entdeckten die Existenz eines transformierenden Prinzips, das später als DNA identifiziert wurde und zur Übertragung von Informationen zwischen Zellen geeignet ist. Dies markierte den Beginn der sogenannten Molekularen Genetik.

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Die DNA ist das Molekül, das die grundlegenden genetischen Informationen jedes lebenden Organismus enthält. Obwohl ihre Existenz und Bedeutung bereits im frühen 20. Jahrhundert vermutet wurde, entwickelten Watson und Crick erst 1953 das endgültige Modell: die DNA-Doppelhelix.

Aufbau eines DNA-Nukleotids

Ein DNA-Nukleotid besteht aus drei miteinander verbundenen Elementen:

1. Einer Pentose (Zucker): Desoxyribose.
2. Einer stickstoffhaltigen Base: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) oder Thymin (T). (Uracil (U) kommt nur in der RNA vor).
3. Einem Phosphatmolekül (H₃PO₄).

Die DNA-Struktur ist eine doppelte Kette von Nukleotiden, die spiralförmig (als Doppelhelix) aufgewickelt ist. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren (A-T und C-G) zusammengehalten.

DNA-Replikation

Während der Zellteilung ist die DNA-Replikation notwendig, um eine identische Kopie der genetischen Information zu erstellen. Dieser Vorgang läuft in zwei Hauptschritten ab:

1. Öffnung und Entwindung der Doppelhelix.
2. Synthese eines neuen, komplementären Strangs, wobei der ursprüngliche Strang als Vorlage dient und neue Nukleotide für die Kopie verwendet werden.

Genexpression: Von der DNA zum Protein

Das Ergebnis der in der DNA gespeicherten Information ist die Synthese von Proteinen. Dabei wird eine Nukleotidsequenz der DNA in eine Sequenz von Aminosäuren (aa) übersetzt.

Transkription und Translation

Dieser Prozess erfordert zwei Hauptschritte:

1. Transkription: Die nukleare DNA-Information wird durch die Kernporen in Form einer freien Kopie, der messenger RNA (mRNA), übertragen. Dieser Vorgang ist als Transkription bekannt. Die mRNA ist für die Übertragung der Information zu den Ribosomen geeignet.
2. Translation: Die Information wird im Ribosom übersetzt. Dieser Prozess, bekannt als Gen-Translation, beinhaltet auch andere Arten von RNA, die Transfer-RNA (tRNA).

Der Genetische Code

Bei der Translation ist die Beziehung zwischen den Gruppen von drei Nukleotiden (Tripletts oder Codons) und den Aminosäuren von wesentlicher Bedeutung. Dies ist der genetische Code.

Der genetische Code erfüllt bestimmte Eigenschaften:

• Er ist universell, d. h., er gilt für fast alle Arten.
• Er ist degeneriert, da eine Aminosäure oft durch mehr als ein Triplett kodiert wird.
• Er besitzt spezifische Stopp-Codons (z. B. UAG) und ein Start-Codon (AUG).

Gentechnik und ihre Anwendungen

Viele moderne Techniken basieren auf der künstlichen und gezielten Manipulation spezifischer Gene, um gewünschte Leistungen oder Produkte von Interesse zu erhalten.

Klonen und Rekombinante DNA

Eine gängige Methode ist das Klonen, die Produktion von Zellen, Geweben, biologischen Proben oder Genen, die weitgehend identische Kopien anderer sind. Eine der häufigsten Methoden hierfür ist die Erzeugung von rekombinanter DNA. Die grundlegende Technik umfasst folgende Schritte:

1. Das gewünschte DNA-Fragment wird mithilfe von Restriktionsenzymen ausgeschnitten.
2. Das Gen wird in Kombination mit spezifischen Vektoren in eine Zelle eingefügt, wo es sich n-fach replizieren kann.
3. Das eingefügte Gen synthetisiert das gewünschte Produkt durch Expression.

Werden solche Techniken bei Eukaryoten angewendet, um genetisch veränderte Produkte zu erhalten, spricht man von transgenen Organismen.

Anwendungsbereiche der Gentechnik

1. Medizinische Produkte (Pharmazeutika)

   Gewinnung von Medikamenten wie Interferon (ein humanes Protein zur Aktivierung des Immunsystems) oder Insulin (das traditionell verwendete Insulin aus Schweinen hatte oft Nebenwirkungen).

2. Gentherapie

   Behandlung genetischer Krankheiten durch Korrektur der Expression betroffener Gene.

3. Früherkennung von Krankheiten

   Erkennung betroffener Gene durch Markierung, um zukünftige Genexpressionsfehler korrigieren zu können.

4. Anwendungen in Landwirtschaft und Viehzucht

   Gewinnung transgener Organismen, z. B. durch Klonen von Pflanzen mit Genen für erhöhte Pestizidresistenz oder höherem Ertrag. Auch Anwendungen zur Förderung der Viehbestände und der Fleischerzeugung ohne Hormoninjektionen sind möglich.

5. Umweltanwendungen (Bioremediation)

   Anwendung bei der Behandlung von Abwasser und Ölunfällen. Hierbei werden sehr widerstandsfähige Bakterienarten gewonnen, die strengen Bedingungen (Salzgehalt, Temperatur usw.) standhalten und metabolisch in der Lage sind, Öl und andere Schadstoffe abzubauen.

   Die Biosorption basiert auf der Gewinnung von Bakterienstämmen, die toxische Ionen oder feste Metalle aus dem Medium binden, sodass diese zu einem späteren Zeitpunkt entfernt werden können.