Grundlagen der Gentechnik und Rekombinanten DNA-Technologie

Biotechnologie: Traditionell vs. Gentechnik

Traditionelle Biotechnologie

• Ist langsam; erfordert viele Generationen, um eine Eigenschaft zu erhalten.
• Rekombiniert genetisches Material der gleichen Art.
• Manipuliert nicht die DNA-Sequenz von Genen.

Gentechnik (Ingenieurwesen)

• Ermöglicht schnelle genetische Veränderungen in einer Generation.
• Rekombiniert die DNA von verschiedenen Arten.
• Führt zur Produktion neuer Gene.

Schlüsselkonzepte der Gentechnik

a) Rekombinante DNA-Technologie

Ein Verfahren, bei dem die DNA verschiedener Arten isoliert, geschnitten, verbunden und amplifiziert wird, um nützliche Mengen zu erhalten. Es ist ein wichtiges Instrument der Gentechnik.

b) Gentechnik

Die gezielte Veränderung des Informationsgehalts von DNA-Molekülen, die zu genetischen Veränderungen führt.

Aktivitäten der Rekombinanten DNA

1. Verfahren zur Spaltung von DNA-Molekülen mithilfe spezifischer Enzyme.
2. Die Fragmente werden in Klonierungswerkzeuge, wie z. B. Plasmide, eingefügt.
3. Die Fragmente werden mit den Genen von Interesse identifiziert.

Ziele der Gentechnik

• Mehr über die Prozesse der Vererbung und Genexpression erfahren.
• Ein besseres Verständnis und Behandlung von Krankheiten und Funktionsstörungen ermöglichen.
• Wirtschaftliche und soziale Vorteile generieren, z. B. durch die effiziente Produktion biologischer Moleküle und die Verbesserung von Pflanzen und Tieren.

Natürliche Mechanismen des DNA-Transfers

a) Geschlechtliche Fortpflanzung (Meiose I)

Austausch von DNA zwischen väterlichen und mütterlichen homologen Chromosomen, was zu neuen Kombinationen verschiedener Allele führt.

b) Bakterieller DNA-Transfer

Bakterien nehmen Plasmide aus der Umwelt auf. Die Gene in diesen Plasmiden ermöglichen es den Bakterien, sich auszubreiten und neue Wirte zu infizieren. Beispiel: Antibiotika-resistente Plasmide, die sich in einem Patienten ausbreiten.

c) Virale Infektion

Innerhalb der infizierten Zelle:

• Die viralen Gene werden repliziert und steuern die Synthese von viralen Proteinen. Diese werden zusammengebaut und verlassen die infizierte Zelle, um neue Zellen zu infizieren.
• Host-DNA-Segmente können in das virale Genom integriert und auf andere Wirte übertragen werden.

Herstellung Rekombinanter DNA im Labor

Ein rekombinantes DNA-Molekül ist die Vereinigung eines DNA-Fragments und eines Vektors. Die DNA wird in reproduzierbare Teile geschnitten, die in einen Klonierungsvektor eingefügt werden können, der die Replikation ermöglicht.

Schritte zur Herstellung Rekombinanter DNA

1. Isolierung: Isolierung der DNA mit dem Gen oder den Genen, die untersucht werden sollen.
2. Fragmentierung: Fragmentierung der DNA mit Restriktionsenzymen (den sogenannten molekularen Scheren).
3. Vorbereitung des Vektors: Isolierung und Schneiden eines Klonierungsvektors mit demselben Enzym, das für die genomische DNA verwendet wurde.
4. Verbindung (Ligation): Verbindung der Vektor-DNA mit den Gen-Klonen an den klebrigen Enden mithilfe von Enzymen wie Ligasen (dem molekularen Kleber).
5. Einführung: Einführung der DNA in einen Wirtsorganismus, der sie replizieren kann.
6. Selektion und Auffinden: Auswahl und Auffinden des gewünschten Klons aus der genomischen Bibliothek.

Genomische Bibliothek

Eine genetische Bibliothek enthält das komplette Genom eines Organismus, das in kleine Stücke geschnitten wurde.

Anwendungen der Gentechnik

Transgene Pflanzen

Die Manipulation von Pflanzenzellen mittels Gentechnik (IG) kann komplex sein.

Herausforderungen und Methoden

• Pflanzenzellen besitzen eine dicke Zellwand, die das Einfügen von DNA erschwert.
• Häufig wird das Bakterium Agrobacterium tumefaciens verwendet, das Tumorgewebe verursacht und als Vektor für den Gentransfer dient.
• Alternativ werden Techniken wie die Genkanone (Biolistik) oder Elektroporation (Strom zur Bildung von Poren in der Plasmamembran) eingesetzt.

Fremdgene werden in Nutzpflanzen übertragen. Beispiel: Transgene Sojabohnen.

Transgene Tiere

Zum Einfügen von Genen in tierische Eizellen werden Techniken wie die Mikroinjektion und das Vortex-Mischen verwendet.

Die Nachkommen entstehen durch die Befruchtung dieser Eizellen. Beispiel: Tiere, denen das Gen für Wachstumshormone eingesetzt wurde.

Produktion Menschlicher Proteine (Pharmakologie)

Protein/Anwendung	Zweck	Wirtssystem (IG)
Insulin	Behandlung von Diabetes.	Menschliches Gen in Bakterien eingefügt.
Zytokine	Regulierung des menschlichen Immunsystems.	Menschliches Gen in Hefe eingesetzt.
Rekombinante Antikörper	Bekämpfung von Infektionen (Immuntherapie).	Gen für rekombinante Antikörper in Hamster-Wirtszellen.
Enzyme	Behandlung von Herzinfarkten, Herstellung von Käse.	Menschliches Gen in Hamster-Wirtszellen.
Impfstoffe	Gegen virale Proteine (z. B. Diagnose und Impfung gegen Hepatitis B).	Virales Gen in Hefe eingesetzt.

Gentherapie

Bei der Gentherapie wird genetisches Material in menschliche Zellen eingefügt.

Vorteile der Gentherapie

• Erkennung von Krankheiten oder defekten Genen, um eine gezielte Behandlung einzuleiten.

Nachteile und Herausforderungen

• Wenn das Gen nicht in einer ausreichenden Anzahl von Patientenzellen in gutem Zustand aufgenommen wird, kann es nicht effizient exprimiert werden.