Projektbeschreibung

Der Einsatz der Gentechnik an Bakterien und "niedrigen Eukaryoten" ist seit Mitte der 70er Jahre äußerst schnell vorangeschritten. Die Anwendung der neuen Technik in der Landwirtschaft zur Herstellung transgener Pflanzen und Tiere erfolgte jedoch langsamer, unter anderem deshalb, weil die landwirtschaftlich nutzbaren Pflanzen und Tiere wesentlich schwieriger zu "manipulieren" und "transformieren" waren und die entsprechenden Methoden erst entwickelt werden mußten.

Eine Anwendungsmöglichkeit in der Landwirtschaft ist der Einsatz der Gentechnik als Diagnoseinstrument. Es macht es dem Pflanzenzüchter möglich, Gene zu identifizieren, die an der Ausprägung bestimmter pflanzlicher Eigenschaften beteiligt sind, und damit auch die Vererbung dieser Gene bei Züchtungen exakter und schneller zu verfolgen. Die Untersuchung des Kaninchenkots im Schulversuch wurde gewählt, um ein Analyseverfahren in der Landwirtschaft darzustellen.

In diesem Projekt sollten die Schüler fundierte Informationen erhalten, damit sich jeder eine kritische Meinung bilden kann. Dabei wurde Gentechnik - nach der theoretischen Behandlung der Vererbungslehre in Biologie, der DNA bzw. Molekularbiologie in Chemie und der Laborapparatur in Physik - anhand von drei ausgewählten Beispiele erläutert.

Um einen Eindruck zu vermitteln, wie das Verhältnis Zelle zu "Informationszentrale" (DNA) an lebenden Zellen ist, und um die abstrakte DNA-Arbeit in einen zellulären Kontext zu stellen, haben die Schüler DNA -Färbungen von Zellen durchgeführt. Als Untersuchungsobjekt wurde in diesem Fall nicht pflanzliches Material verwendet, sondern Fibroblasten. An diesem Untersuchungsobjekt ist es möglich, ohne zusätzlicher Färbung die Zellkerne im Mikroskop zu erkennen.

Während sämtliche molekularen Arbeiten an der Schule durchgeführt werden, konnte die Mikroskopie nur am Institut für Genetik und Allgemeine Biologie stattfinden, wobei das Mikroskop mit Kamera von Doz. Eckl in Zusammenarbeit mit dem Institut für Zoologie zur Verfügung gestellt wurde..

Endziel dieses Abschnittes war es vor allem, den Schülern ein Gefühl von DNA zu vermitteln und das in der molekularen Arbeit unsichtbare und abstrakte genetische Material "sichtbar" und real zu machen.

Seit den ersten Zulassungsanträgen für gentechnisch veränderte Pflanzen zu Beginn des Jahres 1996, dem Auspflanzen der transgenen Kartoffel der Firma Agrana und das Wiederausgraben derselben, sind transgene Pflanzen immer wieder Stoff für öffentliche Diskussionen. Die Kennzeichnung dieser Pflanzen mit dem Ziel dem Konsumenten zu ermöglichen, selbst zwischen "natürlichen" und "manipulierten" Lebensmitteln zu unterscheiden, wurde sehr bald gefordert. Ohne der Möglichkeit des Nachweises der Veränderung ist allerdings jede Kennzeichnung zwecklos. Hand in Hand mit der Kennzeichnung muß auch die Schaffung von geeigneten Untersuchungsmöglichkeiten gehen.

Transgene Pflanzen tragen die Modifikation direkt im Genom. Der Nachweis der Veränderung der Nahrungsmittel erfolgt über die Analyse des manipulierten Abschnittes der Nukleinsäure. Der Nachweis ist hier sehr viel leichter möglich als in den biotechnologisch hergestellten Hilfsstoffen wie Vitamine, Konservierungsmittel oder Aromastoffe, da diese nach ihrer Produktion gut gereinigt werden.

In dem Schulprojekt wurde eine Methode durchgearbeitet, um transgenen Soja mit der Methode derPCR zu untersuchen. Transgener Soja wurde deswegen gewählt, es möglich war, laut Rechtsauskunft des Bundeskanzleramtes, dies für das Projekt problemlos zu inportieren. Aus ligistischen Gründen wurde das Untersuchungsmaterial schließlich von einem Schweizer Anbieter erworben.

Unser Untersuchungsobjekt "Gen-Soja" ist resistent gegen das Totalherbizid ROUNDUP (Synonym: Glyphosat, N-Phosphomethyl-glycin).

Biochemisch wirkt das Herbizid auf ein Enzym (ESP-Synthetase) im Biosyntheseweg der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Wenn dieses Enzym (ESP-Synthetase = 5-Enoylpyruvylshikimat-3-phosphat Synthetase) blockiert wird, ist es den Pflanzen nicht mehr möglich, diese lebenswichtigen Bausteine herzustellen. Sie reichern Zwischenprodukte dieses Biosyntheseweges, Shikimat und Shikimat-3-Phosphat, im Zellplasma an, stellen ihr Zellwachstum ein und sterben nach 3-7 Tagen ab.

Um eine Pflanzen gegen das Herbizid unempfindlich zu machen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist der Einbau eines Enzyms, das zwar die gleiche biochemische Arbeit erfüllt, jedoch von Glyphosat nicht blockiert werden kann. Die in den Medien viel diskutierte Roundup Ready Sojabohne ist ein Ergebnis dieser Technik. Hierbei wurde die ESP-Synthetase von Agrobakterium in die Pflanze eingebaut.

In dem Schulversuch konnte eben von den Schülern dieses künstlich eingesetzte Fremdgen am Genom nachgewiesen werden.

Um einen reibungslosen Verlauf der Untersuchung zu gewährleisten, wurden sämtliche Experimente im Labor vorher durchgearbeitet und für die Schüler adaptiert. Für Sojabohnen existieren bereits kontrollierte und erprobte Primer, mußten also nicht mehr von uns errechnet, sondern nur noch getestet werden.

Aus mehreren Gründen wurde ein Gensojamehl und garantiert nicht veränderte Probe, die sogenannte Negativprobe, von der Firma Fluka bezogen und nicht ganze Sojabohnen für die Analyse verwendet.

Die Polymerase-Kettenreaktion ist ein Verfahren, um selektiv Nukleinsäure-Bereiche definierter Länge und definierter Sequenz aus einem Gemisch von Nukleinsäure Molekülen anzureichern. Dazu nützt man die Eigenschaften eines wichtigen Werkzeugs der Zellen, die DNA- Polymerase, die einen DNA-Einzelstrang zu einem Doppelstrang aufpolymerisiert, sofern ihr eine kurze Erkennungssequenz (Primer) zur Verfügung steht. Die Primer erkennen spezifisch die Randbereiche des zu vermehrenden Genabschnittes und sind strangspezifisch, erkennen also diesen Abschnitt nur einmal am ganzen Genom. Die PCR ist noch keine Methode, um ein Gen eindeutig zu identifizieren, sondern erlaubt es nur den gewünschten DNA- oder Genabschnitt in millionenfacher Kopie herzustellen. Das Ergebnis der PCR kann nun einer näheren Analyse unterzogen werden (siehe auch )

Die einfachste Charakterisierung ist die Bestimmung der Fragmentlänge. Dazu wurde das Ergebnis der PCR auf ein Agarosegel aufgetragen und mit Hilfe der Elektrophorese nach der Größe aufgetrennt. Lange Fragmente bleiben bei dieser Technik öfters in der Struktur des Gels hängen, während kurze Abschnitte in der selben Zeit weitere Strecken zurücklegen können. Mit Hilfe einer DNA mit definierter Größe, die gleichzeitig das Gel durchwandert (Marker-DNA), konnte schließlich eine Größenbestimmung, damit auch Identifizierung durchgeführt werden.

Im Zuge der Gentechnikdiskussion wurde oftmals die Frage aufgeworfen was mit der DNA passiert, wenn sie gegessen wird. Es ist nicht möglich, in dem Schulprojekt die Veränderung der Nukleinsäure im Verdauungstrakt zu untersuchen. Allerdings kann mit der molekularen Methode der PCR nachgewiesen werden, daß DNA durch den Verdauungstrakt durchgeschleust wird, und weiters kann untersucht werden, was von einem Tier gefressen worden ist. In der Ökologie ist es oftmals notwendig, genau das Freßverhalten von Wildtieren zu untersuchen. Die Identifizierung Pflanzenresten in Kotproben oder auch Magenproben (eine durchaus bedenkliche Forschungsmethode) mit herkömmlichen klassischen Analysen (v.a. Mikroskopie) ist durch die Zerkleinerung und Verdauung oft nicht möglich. 1992 konnte gezeigt werden, daß pflanzliche DNA in kleinen Mengen den Darmtrakt höherer Tiere passiert. An der Universität Salzburg konnte ferner festgestellt werden, daß die Pflanzen-DNA auch den Darmtrakt von Herbivoren, unter anderem Hasen und Kaninchen passiert.

Im Zuge des Schulprojekts sollte mit Hilfe der PCR-Technik an Kaninchenkot das Futtermittel nachgewiesen werden. Dazu wurden zwei Kaninchen mit verschiedenen Pflanzen (Spinat & Salat) gefüttert und schließlich die Analysen durchgeführt.

Das nachzuweisende Gen ist die Ribulose- 1,5-Biphosphat Carboxylase-Oxygenase (RuBisCo = rbc-L) ein Enzym im Calvinzyklus, das für die Initiierung der Photosynthese verantwortlich ist. Rbc-L Sequenzen werden sowohl für Phylogenieuntersuchungen von Pflanzen verwendet, aber auch für die Erforschung von "ancient DNA" (DNA von ausgestorbenen Pflanzen) herangezogen. Das auch vor allem deswegen, da das Gen Teil des Chloroplasten Genom ist und somit in hoher Zahl in Pflanzenzellen vorkommen.

Für die Unterscheidung zwischen Spinat und Salat wurden geeignete Primer analysiert und in mehreren Praetests erprobt. Es war möglich sein, entweder anhand der Größe des PCR-Produktes oder nach einer Restriktionsanalyse die beiden Pflanzen eindeutig zu unterscheiden. Die beiden Kaninchen wurden NICHT mit transgenen Pflanzen gefüttert, sondern mit herkömmlichen Futterpflanzen aus heimischen Anbau.

Um DNA-Kontaminationen verhindern zu können, wurden die beiden Tiere zwei Wochen in getrennten Ställen (!) isoliert gehalten, wobei die Futterpflanzen auf keinen Fall vermengt wurden. Auch die Aufbereitung der Kotproben erfolgte getrennt, um Verunreinigungen zu vermeiden.

Die Vermehrung des zu untersuchenden Genabschnittes erfolgte mit der PCR-Methode. Dazu war es notwendig, Primer zu bestimmen, die in hochkonservierten Genabschnitte der RuBisCo binden. Für Spinat und Salat wurden passende Primer an der Unniversität Salzburg getestet. Bei der Wahl der Primer war es wichtig, darauf zu achten, daß der vermehrte dazwischenliegende DNA-Abschnitt bei den beiden Futterpflanzen auf keinen Fall identisch ist.

Das Produkt der PCR-Amplifikation wurde nun einer genaueren Restriktionskartierung unterzogen. Es wurden salatspezifische und spinatspezifische Restriktionsenzymschnittstellen ausgesucht, um somit eine eindeutige Futterpflanzen - Identifizierung durchführen zu können.

Ziel dieses Abschnitt des Projektes war es, zu demonstrieren, wie empfindlich die DNA-Analyse mit Hilfe der PCR ist. Damit wurde eine Methode durchgearbeitet, die jetzt bereits in der Tierökologie angewendet wird und in Zukunft auch Untersuchungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft bietet. Die Kennzeichnung der Gentechnikfreiheit im Biolandbau ist eng mit Kontrollen von Futtermitteln, Saatgut und auch der Biobauern verbunden. Mit der vorgestellten Methode ist es selbstverständlich auch möglich, transgenen Soja im Kot der Tiere nachzuweisen. Es wäre technisch möglich, transgene Pflanzen an die Tiere zu verfüttern und es im Kot festzustellen. Allerdings ist dies für das Erlernen der Techniken nicht notwendig.

Um nicht nur die biologischen, chemischen und physikalischen Fragestellungen hinreichend zu erklären, wurden parallel zu den theoretischen und praktischen Arbeiten begleitende Projekte von den anderen Fachrichtungen gestartet. Folgende Gegenstände waren involviert:

Angesichts der steigenden Möglichkeiten der Gentechnik stellt sich, wie immer in der Entwicklung neuer Wege von Wissenschaft und Forschung, die Frage: " Darf der Mensch alles, was er kann?". Der Beitrag des Religionsunterrichts zum Gentechnikprojekt konnte daher nur die Frage nach den ethischen Gesichtspunkten im Dienst der menschlichen Person, ihrer Rechte und ihres ganzheitlichen Wohles stellen. Welche positiven Auswirkungen hat die Gentechnik für die weltweiten Probleme, welche negativen Folgen sind zu befürchten?

Die Schüler bearbeiteten einfache kirchliche Texte und Stellungnahmen zur Gentechnik, wobei die ethische Auseinandersetzung mit konkreten Beispielen der Gentechnik mit Hilfe der obengenannten Fragen angestrebt wurde.

Schüler bearbeiteten nach der Einführung der Fachbegriffe englische Zeitungs- bzw. leichtere Fachartikeln, wobei inbesondere das Thema transgene Tiere aufgegriffen wurde.

Im Fach Pflanzenbau wurden folgende Fragen behandelt: