Pater Johann Gregor Mendel
Der Österreicher Mendel als Wegbereiter
Seine Ideen, Experimente, sein Schicksal
Peter Schwaiger und Anton Salchegger
Johann Gregor Mendel wurde am 22. Juli 1822 als Sohn einer Bauernfamilie in Heinzendorf (dem heutigen Hyenzice in Tschechien) geboren. Er trat in das Augustinerkloster bei Brünn (dem heutigen Brno in Tschechien) ein, das als Zentrum für Forschung und Lehre bekannt war, und arbeitete später an der technischen Schule in Brünn. Während dieser Zeit beschäftigte sich Mendel intensiv mit der Erforschung von Veränderungen, der Vererbung und Evolution von Pflanzen, die im Garten des Klosters wuchsen. Zwischen 1856 und 1863 führte er zahlreiche Kreuzungsexperimente durch künstliche Bestäubung an Erbsen durch. Er kreuzte sieben verschiedene Samenarten und studierte die Eigenschaften der daraus resultierenden Pflanzen. Die Ergebnisse daraus faßte er in drei nach ihm benannten Regeln zusammen. Zudem prägte er die Begriffe dominant (Übergewicht einer Zustandsform gegenüber der Wirkung der anderen rezessiven Zustandsform) und rezessiv (Vorkommen eines Gens, das von der dominanten Zustandsform unterdrückt wird - nur wenn zwei rezessive zusammentreffen wird die Rezessivität als Merkmal sichtbar).
Mendel veröffentlichte seine Ergebnisse und die daraus abgeleiteten Gesetze der Vererbung im Jahre 1866. Trotz seiner ausführlichen Beschreibungen der Kreuzungsversuche, durch die eine numerische und statistische Auswertung möglich war, blieb seine Arbeit für die nächsten 34 Jahre unbeachtet. Er fand erst nach seinem Tod Anerkennung, als seine Arbeit 1900 von drei Forschern, zu denen der holländische Botaniker Hugo de Vries zählte, neu entdeckt wurde. Erst in den späten zwanziger und in den frühen dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde die volle Bedeutung seines Werkes in Zusammenhang mit der Evolutionstheorie erkannt. Mendel starb am 6. Jänner 1884 in Brünn".
Wie wissenschaftlicher Ruhm entsteht Als Johann Gregor Mendel seine Forschungsergebnisse 1866 veröffentlichte, wurde er von niemandem verstanden. Unabhängig voneinander befaßten sich dreißig Jahre später drei Forscher mit ähnlichen Problemen. |  Schema der dominanten Vererbung bei rot- und weißblühenden Erbsen |
Hugo de Vries veröffentlichte 1900 die selben Forschungsergebnisse wie Mendel 30 Jahre zuvor. Ein Hinweis auf die Forschung Mendels fehlte. Carl Correns veröffentlichte daraufhin den folgenden Artikel: "Die neueste Veröffentlichung von Hugo de Vries veranlaßt mich zu der folgenden Mitteilung. Auch ich war bei meinen Bastardierungsversuchen zu dem selben Resultat gelangt wie De Vries; nämlich das wichtige 3:1-Verhältnis. Als ich das gesetzmäßige Verhalten und die Erklärung dafür gefunden hatte, ist es mir gegangen, wie es De Vries offenbar jetzt geht: Ich habe das alles für etwas Neues gehalten. Dann habe ich mich überzeugen müssen, daß der Abt Gregor Mendel in Brünn in den Sechziger Jahren des 19. Jahrhunderts nicht nur zu dem selben Resultat gekommen ist, sondern daß er auch genau die selbe Erklärung gegeben hat, soweit das 1866 nur irgendwie möglich war." Er legte sodann die Priorität fest, wodurch die moderne Vererbungswissenschaft ihren Namen "Mendelsche Vererbungslehre" erhielt.
1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel, Reziprozitätsregel)
In den ersten Experimenten kreuzte Mendel reinerbige Erbsenlinien, die sich in einem Merkmal unterschieden, z.B. rot blutige und weiße (vgl. Abb. 2). Als Nachkommen erhielt er Hybride, die keine Mischung beider Eigenschaften aufwiesen, sondern äußerlich dem roten Elternteil entsprachen, was als Beispiel für dominant gilt (F1-Generation). Als Erklärung forderte Mendel eine Erbeinheit, die wir heute Gene nennen und die häufig in unterschiedlichen Zustandsformen (Allele) auftreten.
Man unterscheidet dominant (A) und rezessive (a) Zustandsformen eines Gens. Als Beispiel die Erbsen: In der ersten Tochtergeneration (F1 - Generation = Filialgeneration), der Mischlinge (Bastarde), tritt nur das Merkmal der einen Elternpflanze auf, obwohl, wie es die F2-Generation beweist, das Merkmal der Elternpflanze vorhanden war, denn in dieser Generation treten ja wieder weißblühende Pflanzen auf, die dann, unter sich weitergekreuzt, immer nur weiße Blüten ergeben, wobei die dominante Zustandsform (Allel) die Wirkung der rezessiven Zustandsform unterdrückt und äußerlich in Erscheinung tritt.
Mendel fand auch heraus, daß Gene in Körperzellen normalerweise paarweise vorkommen. Weiters erkannte er, daß dies sich bei der Entstehung von Geschlechtszellen (Ei- und Samenzellen) aufteilen. Jedes Gen aus einem solchen Paar gelangt dabei in eine andere Geschlechtszelle. Bei der Vereinigung von Ei- und Samenzelle entsteht wieder ein Genpaar, in dem das dominante Allel (Zustandsform) (in dem genannten Fall für die Großwüchsigkeit) die Wirkung des rezessiven (für Zwergwuchs) überdeckt. Diese Ergebnisse liefern die Grundlage für die erste Mendelsche Regel, nach der eine Kreuzung zweier reinerbiger Eltern, die sich in einem oder mehreren Merkmalen unterscheiden, eine gleichförmige (uniforme), mischerbige (Aa) Tochtergeneration hervorbringt. Die Gleichheit der Tochtergeneration wird nicht verändert oder beeinflußt, wenn der jeweils andere Elternteil das betreffende Merkmal aufweist.
Hybride
Sie sind allgemein aus Verschiedenen zusammengesetzt. Es ist die Kreuzung zweier genetisch verschiedener Partner, wobei sie sich in den Genen mindestens durch eine Zustandsform unterscheiden. Aus der Kreuzung zweier reinerbiger Populationen einer Art hervorgehende Pflanzenhybride zeigen oft die sogenannte "Bastardwüchsigkeit". Diese Pflanzen werden größer, wachsen schneller und liefern somit höhere Erträge. Fast alle angebauten Getreide- und Gemüsesorten sind heute Hybride, die wesentlich höhere Erträge bringen, als die Ausgangspflanzen.
2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel, Dominanzregel)
Um zu beweisen, daß es solche Erbeinheiten gibt, kreuzte Mendel die erste Generation der roten Hybriderbsen (Aa x Aa) untereinander. Dabei stellte sich heraus, daß in der ersten Tochtergeneration wieder kleinwüchsige Erbsenpflanzen (aa) auftreten, und zwar kleinwüchsige und großwüchsige im Verhältnis 3 : 1. Daraus ergab sich, daß sich die Gene zu den Paaren AA, Aa und aa zusammengefunden hatten. Bei weiteren Kreuzungsexperimenten stellte er fest, daß bei reinerbigen AA-Pflanzen bei Selbstbefruchtung nur rote Nachkommen und bei aa-Exemplaren nur weiße Nachkommen entstanden. Bei der Kreuzung der Aa-Hybride fand sich unter den Nachkommen wieder das gleiche Zahlenverhältnis von 3 : 1. Aufgrund dieser Versuchsergebnisse beschrieb Mendel die zweite Mendelsche Regel, nach der die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen nicht mehr gleichförmig sind, sondern ihr äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufspalten. Dieses Zahlenverhältnis wird sowohl durch die Anzahl der Merkmale (Genorte), in denen sich die Eltern unterscheiden, als auch durch den Erbgang beeinflußt. Man unterscheidet einen dominant-rezessiven Erbgang von einem gleichen Erbgang. Bei einem dominant-rezessiven Erbgang spaltet sich das äußere Erscheinungsbild der Tochtergeneration im Verhältnis 3 : 1 auf, wenn nur ein Merkmal betrachtet wird, sowie bei einem gleichen Erbgang im Verhältnis 1 : 2 : 1. |
 Schema der Vererbung von kleinwüchsigen und großwüchsigen Erbsenpflanzen. AA = weiß reinerbig; Aa = weiß mischerbig/ weiß dominant; aa = rot einerbig |
3. Mendelsche Regel (Regel von der unabhängigen Aufspaltung der Zustandspaare)
Wie weitere Kreuzungsexperimente mit Elterngenerationen zeigten (verschiedene Merkmale), werden die einzelnen Genorte und damit die Merkmalsausprägung unabhängig voneinander weitergegeben und sind frei miteinander kombinierbar. Allerdings gilt die dritte Mendelsche Regel nur für Gene, die auf verschiedenen Chromosomen (siehe Chromosomen) liegen. Zufälligerweise waren die sieben Merkmale der Erbsenpflanzen, die Mendel untersuchte, auf verschiedenen Chromosomen lokalisiert, da er ansonsten keine statistische Verteilung der Merkmalskombinationen erhalten hätte.Deshalb wurden die Mendelschen Regeln zur theoretischen Grundlage der modernen Genetik.
Ein Teil der Chromosomen ist DNA. Die DNA besteht wiederum aus Genen (einzelne Funktionseinheiten). Gene ---> Info für Enzym ---> bewirkt ein Merkmal.
Chromosomen
Sie sind winzige Gebilde, die gewöhnlich nur eine Länge von wenigen Mikrometern aufweisen. Die Anzahl der Chromosomen ist in der Zelle, die teilungsfähig ist, bei jeder Pflanzen- und Tierart konstant. Ihre Anzahl ist für jede Art charakteristisch und kann selbst bei nah verwandten Arten verschieden sein. Sie treten in Paaren und daher in geraden Zahlen auf. Unter den Chromosomen sind in der Regel je zwei, der Form und Größe nach völlig gleich. Weiters ist auf den Chromosomen die Erbinformation gespeichert.
Quellen:
Ehrenwirtverlag Epoche der Biologie; Microsoft Enkarta 97 Enzyklopädie; Mandl/ Liebetreu Linder Biologie
Die Entwicklung der molekularen Genetik
Dem Menschen ist aus seiner Erfahrung schon seit Jahrtausenden bewußt, daß eine Art immer nur Nachkommen der gleichen Art hervorbringt. Dies bildete die Grundlage der gezielten Pflanzen- und Nutztierzüchtung von den ersten seßhaften Menschen an über die bäuerliche Bevölkerung hin bis heute. Bis Anfang dieses Jahrhunderts blieb es jedoch ein Rätsel, wie die Informationen zum Bau und Betrieb von Lebewesen gespeichert und weitervererbt werden.
(vgl. Foliensammlung des Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt am Main 1996, Seite 12)
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1543 |
Andreas Vesalius: Anatomie-Atlas "De humani corporis fabrica" Darin beschrieb Andreas Vesalius, der damals Professor für Chirurgie und Anatomie in Padua war, erstmals das Innere des Menschen in allen Details. Ihm gelang damit zum ersten Mal in der Geschichte der neuzeitlichen Wissenschaften eine streng naturwissenschaftliche Darstellung der inneren Organe, Blutgefäße, und ihrer Zusammenhänge. (vgl. Spektrum der Wissenschaft, Digest: Gene und Genome, 1997, Seite 6) |
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1865 |
Gregor Mendel: Erbregeln Mendel kam durch seine Vererbungsforschungen an Pflanzen zu einigen wichtigen Grundregeln aller Fortpflanzungsvorgänge: 1. Uniformitätsregel 2. Spaltungsregel 3. Unabhängigkeitsregel 4. Regel von der Neukombination der Erbfaktoren Er arbeitete noch nicht zellbiologisch, sondern orientierte sich an den äußeren Erscheinungsformen. |
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Zunächst basierte die Forschung also auf Beobachtung und Erfahrung. Erst später gelangte man zur Kenntnis der zugrunde liegenden biologischen Prinzipien. Die Verknüpfung der Forschung mit der Produktion beschleunigte den Forschungsfortschritt Die molekularen Grundlagen der Vererbung wurden erst durch: 1. die Weiterentwickung des Mikroskops (Ernst Abbe), 2. die Erforschung von Mikroorganismen (Louis Pasteur, Robert Koch, Alexander Flemming), 3. die Grundlagenforschung in Zellbiologie, Mikrobiologie, Biochemie, Enzymologie und 4. schließlich die Entdeckung der Proteine und Nukleinsäuren möglich. (vgl. Foliensammlung des Fonds der Chemischen Industrie: Biotechnologie/Gentechnik 1996, Seite 8) |
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1944 |
Oswald T. Avery: DNA als transformierendes Prinzip Die 1868 von Miescher entdeckte Nukleinsäure kam zusammen mit den Proteinen als stofflicher Träger der Gene in Frage. Die ersten Untersuchungen zu dieser Frage, wurden 1944 von Avery an Pneumokokken (Erreger der Lungenentzündung) durchgeführt. |
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1944 |
Da nachgewiesen wurde, daß Vererbung auf stofflichen Vorgängen, genauer aus Umsetzungen von MOLEKÜLEN bestand, begann mit diesen Transformationsversuchen an Bakterien im Jahre 1944 das Arbeitsgebiet der MOLEKULAREN GENETIK. Die molekulare Genetik ist jener Zweig der Genetik, der sich mit dem Informationsfluß zwischen Makromolekülen (=Riesenmoleküle), DNA, RNA und Polypeptiden befaßt. |
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1953
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James Watson und Francis Chrick: Raumstruktur der DNA Die DNA besteht aus Nukleinsäuren. Diese sind zusammen mit anderen Bausteinen zu Nukleotiden zusammengefaßt. Jedes Nukleotid ist aus drei Bestandteilein aufgebaut: 1. Aus einer der vier Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, 2. Zucker (Desoxyribose) und 3. aus Phosphorsäure. Watson und Crick formulierten 1953 ein Modell der DNA-Struktur, wonach die DNA aus zwei langen Nukleotidsträngen besteht. Sie sind strickleiterartig zu einem Doppelstrang verknüpft. Die Holme der Strickleiter bestehen aus Zucker- und Phosphorsäuremolekülen, die Sprossen werden jeweils von zwei Basenmolekülen gebildet. Jede Base des einen Strangs bestimmt den Basenpartner des anderen und umgekehrt.Solche Basenpaare sind: 1. Adenin und Thymin und 2. Guanin und Cytosin. Zwischen den Basenpaaren wirken Wasserstoffbrücken, die den Zusammenhalt der beiden Nukleotidstränge stabilisieren. Die räumliche Geometrie der Basenmoleküle läßt nur die oben erwähnten Paare zu. Die genetische Information ist an die Abfolge der Basenpaare gebunden. Die Zucker- und die Phosphorsäurereste der Nukleotidbausteine sind durch die ganze Kette hindurch gleich. Das bedeutet, daß sie nicht Träger der Erbinformation sind. Das ganze Gebilde ist außerdem noch schraubig gedreht. Man spricht von einer Doppelschrauben- oder Doppelhelix-Struktur. 
Aufbau der DNA
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Auch Viren, die bekannten Krankheitserreger, sind Nukleoproteine. Jedoch haben sie einen einfacheren Aufbau als Zellen. Ihre Organisation ist so einfach, daß sie nicht selbständig leben können. Es gibt Viren für Menschen- Tier- und Pflanzenkrankheiten. Aber auch Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern) werden von Viren befallen, die man Bacterio- bzw. Cytophagen oder allgemein Phagen nennt. Wenn es ihnen gelingt, ihre genetische Information, also ihre DNA, in eine lebende Zelle einzuspritzen, ist diese Zelle gezwungen, neue Viruspartikel (Vibronen) zu erzeugen. Viren waren somit die ersten "Lebensformen" auf unserem Planeten, die die Werkzeuge der Gentechnik verwenden. |
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1961
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Heinrich Matthaei und Marshall Nirenberg entschlüsseln das erste Codon des genetischen Codes: Ein Gen ist ein verschieden langer Abschnitt der DNA oder RNA, der eine einzige Information für ein Protein enthält. Über die Bildung von Polypeptiden (= Proteine) können Gene in die Merkmalbildung eingreifen. Wie gesagt, sind Proteine aus rund zwanzig, immer wiederkehrenden Aminosäuren aufgebaut. Der genetische Code ordnet eine bestimmte Abfolge (= Sequenz) der Aminosäuren in den Proteinketten an. Aus drei Code-Buchstaben (= die Nukleotide mit den Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin) setzt sich nun ein Code-Wort zusammen, das man "Codon" oder auch "Nucleotidtriplett" (tri = drei) nennt. Die Entschlüsselung des genetischen Codes begann 1961, als es Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei gelang, eine besondere m-RNA herzustellen, die nur aus sich wiederholenden Uracil-Basen bestand und deshalb "Poly U" genannt wurde. Damit erhielt er ein Protein aus nur einer Aminosäure. Somit bezieht sich der Name Codon nur auf die RNA. Die Nucleotidtripletts der DNA nennt man "Codogene" und die der m-RNA "Anticodone". Der genetische Code ist redundant (= überfüllt). Es gibt 64 Codons, aber nur 20 Aminosäuren. Daher muß es Synonyme, also Codons, die die gleiche Aminosäure bedeuten, geben. Drei Codons codieren überhaupt keine Aminosäure, sondern wirken als "Stoppsignale", um die Botschaft zu beenden. |
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1970 |
Hamilton Smith: spezifische Restriktionsenzyme Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen auslösen oder beschleunigen. Eine Form der in der Gentechnik verwendeten Enzyme sind vergleichbar mit Scheren, die bestimmte, genau definierte DNA-Sequenzen erkennen und den DNA-Strang an den entsprechenden Anfangs- und Endstellen der DNA-Sequenz durchtrennen. Eine Sequenz ist eine bestimmte Basenabfolge auf dem DNA- Strang. Spezifisch werden sie deshalb genannt, weil sie an gewollten bzw definierten Stellen angreifen. Ohne Restriktionsenzyme wäre gentechnisches Arbeiten nicht möglich. |
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1973 |
Stanley Cohen und Herbert Boyer: DNA-Klonierung Die genomische DNA wird in einem ersten Schritt aus dem Zellkern isoliert. Die im Kern dicht gepackte und somit mechanisch stabile DNA zerbricht durch den Reinigungs- und Bearbeitungsvorgang in größere Stücke. Diese werden anschließend mit Restriktionsenzymen in Fragmente (Teilstücke) verschiedener Größe geschnitten. In einem parallelen Prozeß werden Plasmidmoleküle isoliert. Diese Plasmide werden anschließend gezielt geöffnet bzw linearisiert. Die Schnittstelle kann z.B innerhalb eines Resistenzgenes liegen. Im nächsten Schritt werden die DNA-Fragmente, die offenen Plasmide und DNA-Ligase (Klebeenzym für DNA-Stücke) zusammengebracht. Es entsteht ein Gemisch aus: 1. Plasmiden 2. Plasmide mit eingebautem DNA-Fragment innerhalb des Resistenzgens. Das Resistenzgen wird daher inaktiv. 3. Plasmide mit gewünschtem, eingebautem DNA-Fragment 4. Sonstige DNA-Moleküle. Weiters wird dieses Gemisch in Bakterien eingebaut (Transformation) und von diesen vermehrt. |
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1973 |
Bei der Transformation entstehen verschiedene Arten transformierter Bakterien. Sie unterscheiden sich durch die aufgenommene DNA (Bakterien die das Originalplasmid tragen; Bakterien, die das Plasmid mit eingebauter Spender-DNA tragen; Bakterien, die das Plasmid mit dem gewünschten DNA-Fragment besitzen und Bakterien, welche überhaupt kein Plasmid aufgenommen haben). Der letzte Schritt dient der Trennung (Selektion) der Zellen, die das gesuchte DNA-Fragment enthalten. Man bedient sich dazu des inaktiven Resistenzgens. Die Bakterien werden auf einem Nährmedium vermehrt, auf dem nur plasmidhaltige Bakterien wachsen können (Resistenz!). Es entsteht dadurch ein sogenannter Klon. Durch weitere Folgearbeiten auf verschiedenen Nährböden können die Bakterien mit beliebigen Restriktionsgenen bzw. mit dem gewünschten Gen selektiert werden, die man dann in ausreichender Menge gewinnen kann. (vgl. Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie: Biotechnologie/Gentechnik, 1996, Seiten 25-27) |
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1977 |
Fred Sanger: Erste direkte DNA-Sequenzierung Als Ausgangsmaterialien bei der DNA-Sequenzierung werden 1. einzelsträngige DNA (viele kleine DNA-Stücke) und 2. Primer (Startsequenzen) benötigt. Zu den einzelsträngigen DNA-Stücken wird der Primer zugeführt. Dieser bindet sich an die ergänzende DNA-Sequenz und dient als Startsequenz. Diese Mischung aus DNA und Primer wird in vier Portionen (vier Basen bzw vier Hauptbausteine!) aufgeteilt und in separate Gefäße gefüllt. Nun wird jeweils eine bestimmte Menge einer der vier "Hauptbausteine" zugegeben. Diese "Hauptbausteine" (Base + Zucker + Plasmide) werden fachsprachlich Desoxyribonucleosid-Triphosphate genannt. Zusätzlich wird in jedes Reaktionsgefäß je eine geringe Menge eines von vier vorhandenen Abbruchbausteinen (Didesoxyribonucleosid-Triphosphat) gegeben. Also ist nun in einem Gefäß ein "Abbruchbaustein mit Adenin als Base, im nächsten ein "Abbruchbaustein mit Cytosin als Base, usw. Nun beginnt in allen vier Reaktionsgefäßen der Zusammenbau der einzelnen DNA-Fragmenten (Stücke). Wird bei einem Fragment ein Abbruchbaustein eingebaut, so kann hier nicht mehr weitergebaut werden. Das hat zur Folge, daß in allen Gefäßen verschieden lange DNA-Stücke vorhanden sind. Die vier Reaktionsansätze werden nun nebeneinander auf ein Gel (gallertartige Masse) aufgetragen, welches an einem Stromkreislauf angeschlossen ist. Da die DNA negativ geladen ist, wandern die DNA-Stücke vom Minus- zum Pluspol. Je kürzer die Sequenzen sind, desto weniger Widerstand trifft vom Gel auf die Sequenz und daher gelangen kürzere Fragmente weiter in Richtung des positiven Pols (Elektrophorese). Das nun anfallende Bandenmuster kann nun abgelesen und entschlüsselt werden. (vgl. Foliensammlung des Fonds der Chemischen Industrie: Biotechnologie/Gentechnik, 1996,pp 33-35) |
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1985 |
Robert Sinsheimer: Idee zum Human-Genom-Projekt Dieses Projekt hat die Entschlüsselung des gesamten menschlichen Genoms zum Ziel und wird von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt unterstützt. Das Genom ist die Gesamtheit der Gene im Organismus und besteht beim Menschen aus ca. 3 Milliarden genetischen Lettern. Bis zum Jahr 2005 soll dieses Projekt abgeschlossen sein. Damit wäre medizinisch eine Grundvoraussetzung für eine individuelle Diagnose und Therapie des Menschen geschaffen. |
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1985
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Karin Mullis: Polymerase-Kettenreaktion (= PCR) Mit Hilfe der PCR können DNA-Sequenzen zur weiteren Verarbeitung außerhalb der Zelle, das heißt im Reagenzglas ("in vitro"), mit Hilfe von Enzymen, vermehrt werden. Diese Methode ist, da außerhalb der Zelle, schnell und effektiv. Sie wird in der Mikrobiologie routinemäßig genutzt. In zahlreichen anderen Gebieten, wie: Medizin, Diagnostik, Archäologie und Kriminalistik wird sie ebenfalls angewendet. Für die Durchführung der PCR wird ein DNA-Stück (ring- oder kettenförmig) als genetisches Muster (Matrize) benötigt. Die Basenabfolgen an Anfang und Ende müssen meistens bekannt sein. Zu diesen Randsequenzen müssen Primer (Startsequenzen) synthetisch hergestellt werden. Die PCR ist in drei Schritte gegliedert: 1. Schmelzen der mehrsträngigen DNA bei 94°C in einzelsträngige DNA (Denaturierung). 2. Anlagerung der Primer an die DNA bei 60°C (Hybridisierung). 3. Bildung des Komplementärstranges zum ersten Strang bei 72°C (Polymerisation). Diese drei Schritte werden mehrfach, ohne weitere Reagenzzugabe, wiederholt, wobei die Primärsequenz exponentiell vermehrt wird. (vgl. Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie: Biotechnologie/Gentechnik, 1996, Seite 32) |
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1994 |
Die gentechnisch veränderte Flavr Savr Tomate der Firma Calgene kam in den USA auf den Markt. Die erhofften Umsatzerfolge blieben jedoch aus. Weiters erfolgten in den USA zehn Zulassungen von transgenen Pflanzen mit unterschiedlichen neuen Merkmalen für den uneingeschränkten landwirtschaftlichen Anbau (Baumwolle, Kartoffel, eine Lorbeerenart, Soja, Kürbis, Tabak und wie schon erwähnt die Tomate). |
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1996 |
In Österreich werden drei Freisetzungsanträge für gentechnisch veränderte Pflanzen gestellt: 1. Vom Forschungszentrum Seibersdorf: Betraf die Freisetzung einer, gegen Fäulnisbakterien resistenten, Kartoffel. 2. Von der Zuckerforschung Tulln (AGRANA): Betraf die Freisetzung einer stärkemodifizierenden Kartoffel (illegale Freisetzung im Frühjahr 1996) und 3. Von der Firma AgrEvo (Hoechst): Betraf die Freisetzung eines herbizidresistenten (Basta = Totalherbizid) Mais. |
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1997 |
Gentechnikvolksbegehren in Österreich: Breite Zustimmung der österreichischen Bevölkerung zur Ablehnung der Gentechnik in der Landwirtschaft und im Nahrungsmittelbereich. |
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2001 |
Human-Genom komplett sequenziert |
Quellen:
Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie: Biotechnologie/Gentechnik, Frankfurt a. Main 1996
Spektrum der Wissenschaft, Digest: Gene und Genome, 1997
Czihak, G., H. Langer, H. Ziegler: Biologie, 1985
Warum es funktioniert - Gentechnik, ist es denn die Möglichkeit?
Eva Melnik
Die Gentechnik arbeitet mit der Erbinformation, der DNA. Doch wieso funktioniert diese Methode bei den verschiedensten Organismen? Ein wesentlicher Faktor ist der, daß die DNA aus einer einheitlichen Grundstruktur besteht:
Die Zucker-Phosphatverbindungen verleihen der DNA eine gewisse Stabilität und knüpfen aneinander an, sodaß eine Kette entsteht.
Abb. 1. DNA-Abschnitt mit Grundstruktur
Von den Basen gibt es vier verschiedene Arten, die mit den Anfangsbuchstaben der jeweiligen Namen gekennzeichnet sind: A (Adenin), G (Guanin), T (Thymin), C (Cytosin).
Es sind immer zwei bestimmte Basen, die miteinander verbunden sind und so ein `Basenpaar´ bilden. A (Adenin) verbindet sich immer mit T (Thymin),G (Guanin) immer mit C (Cytosin). Das ist auch der Grund, warum es zwischen den Ketten zu einer Verknüpfung kommt. Die DNA ist, wie in Abbildung 4 zu sehen ist, eingedreht, weil sich dadurch die Stabilität weiter erhöht. Egal, ob nun die DNA in einer Tier- oder Pflanzenzelle vorkommt, die Grundstruktur ist immer dieselbe.
 DNA-Kette |
 Verbindung mit der DNA-Ketten |
 Eingedrehter DNA-Abschnitt |
Die Verdoppelung der DNA
In der Natur ist es wichtig, daß bei der Vermehrung der Zellen (Zellteilung) genau dieselbe DNA an die nächste Generation weitergegeben wird. Um die genetische Information weitergeben zu können, muß die DNA verdoppelt werden. Rund 20 Enzyme dienen der Zelle als Werkzeuge, um die DNA zu replizieren. Die wichtigsten für die Gentechnik sind:
a) Der Primer: Startstellenangeber
b) DNA-Polymerase: Handwerker, der die Bausteine für die DNA zusammen trägt und baut.
c) Nukleotide: Werkstoff aus dem die DNA besteht.
Im ersten Schritt wird die DNA aufgespalten.
Jeweils ein Primer setzt sich an eine Kette des DNA-Stranges an.
Da immer zwei bestimmte Basen ein Basenpaar bilden, kann eine Kette ergänzt werden.
Ein Kettenstück hat zum Beispiel die Basenabfolge AGTCTATAG.
Die zweite Kette müßte mit folgenden Basen ergänzt werden: TCAGATATC.
(A verbindet sich immer mit T, G immer mit C)
Die Ergänzung wird von der Polymerase durchgeführt, welche die Bausteine der DNA zusammenträgt und an der entsprechenden Stelle einbaut. Dieser Handwerker der Zelle orientiert sich an dem Primer, der ihm den Startpunkt und die Verlaufsrichtung der Verdoppelung angibt.
In der Gentechnik werden Primer und Polymerasen verwendet, um DNA zu vervielfachen. Mit einer größeren Menge DNA können die Techniken der Gentechnik leichter durchgeführt werden.
Der genetische Code:
Die Information auf dem DNA-Strang ist für die Gentechnik von großem Interesse.
Im Bezug auf den genetischen Code könnte man die DNA mit einem Lexikon vergleichen, in dem die Rezepte für Proteine und Enzyme (Werkzeuge der Zelle) geschrieben stehen. Diese Rezepte bestimmen auch die Merkmale, die Erbanlagen eines Organismus.
Da die DNA aus zwei Ketten besteht, können auf diesen bestimmte Rezepte mit Hilfe der vier Basen niedergeschrieben werden. Das Prinzip funktioniert wie das eines Morsecodes, bei dem durch lange und kurze Signale eine ganze Sprache verschlüsselt werden kann. In der DNA, dem Lexikon, wurde so eine universelle Sprache durch die Kombination von den Basen entwickelt, die in allen Zellen, in den unterschiedlichsten Organismen verstanden wird.
Dazu ein Beispiel:
Die Zutaten für den Bau eines Proteins sind immer 20 verschiedene Aminosäuren. (= Eiweißbausteine, die in jedem Organismus vorkommen. Auf Grund ihrer Wichtigkeit und Bausteinfunktion auch als `Bausteine des Lebens´ bezeichnet.). Welche Aminosäure verwendet werden soll, ist jeweils mit einer oder mehreren Dreierkombinationen von Basen auf einer Kette der DNA festgelegt. Zum Beispiel tritt in einem Bauplan, eine Basendreierkombination von GGA auf, bedeutet dies, daß die Aminosäure Glycin verwendet werden soll.
Die Gentechnik erforscht dieses DNA-Lexikon, um die Stoffkreisläufe von Organismen kontrollieren zu können.
Ein Rezept für ein bestimmtes Protein kann mit Hilfe der Gentechnik in die DNA eines anderen Organismus eingesetzt werden. Dadurch ist der Organismus imstande, das gewünschte Protein zu produzieren.
Mit dem Wissen welcher Abschnitt auf welcher von den beiden Ketten der DNA für welches Protein verantwortlich ist, kann die Produktion eines unerwünschten Eiweißstoffes auch eingestellt werden. Das ist möglich, indem das Rezept des unerwünschten Proteins entweder herausgeschnitten oder einfach `umgedreht´ wird, sodaß es die Zelle nicht mehr lesen kann.
Proteinbiosynthese - Translation und Transkription
Der Sinn dieser Hergänge ist es, Protein zu erzeugen. Wie eine Fabrik, die sich nach dem Bedürfnis der Bevölkerung richtet, richtet sich die Zelle nach den Bedürfnissen des Organismus.
Wenn die Bevölkerung nun einen Bedarf an einem bestimmten Produkt, zum Beispiel an Schokoladenkeksen hätte, würde die Fabrik alles unternehmen, um so schnell wie möglich die Produktion von Schokoladenkeksen zu erhöhen, um den Gewinn zu steigern.
Das Lexikon mit den Originalrezepten für Schokoladenkekse läge an einem sicheren Ort und dürfte nicht entwendet werden. Das benötigte Rezept würde aufgeschlagen und von einem Mitarbeiter abgeschrieben (kopiert) werden. Der Mitarbeiter ginge daraufhin in die Fabrik, um mitzuteilen, welche Zutaten man benötigt. Die Bediensteten würden die Zutaten beschaffen und zur Fabrik bringen, in der diese schließlich zu einer bestimmten Anzahl von Schokoladenkeksen verarbeitet werden.
Benötigt man nach der Produktion noch weitere Schokoladenkekse, liefe dieser Vorgang erneut ab.
Natürlich werden in der Zelle keine Schokoladenkekse produziert. Wenn jedoch ein bestimmtes Protein benötigt wird, so unternimmt die Zelle alles, um so schnell wie möglich Protein zu produzieren. Verständlicherweise geht es dabei nicht um Profit, wie in der Marktwirtschaft, sondern um das Überleben der Zelle, bzw. des Organismus.
Produktion von Protein, vereinfachte Darstellung
Produktionsvorgang in der Zelle:
Der sichere Ort, an dem sich die Rezepte befinden, ist in dem stabilen Gebilde der DNA. Das DNA-Lexikon wird nun an der Stelle geöffnet, wo das Rezept für das bestimmte Protein geschrieben steht. Danach kommt der Mitarbeiter, die Boten-RNA (mRNA). Sie schreibt das Rezept von der richtigen Kette des DNA-Lexikons ab und bringt es zu der Proteinfabrik, dem Ribosom. Die Bediensteten, die Träger-RNA´s, befördern die Zutaten, die Aminosäuren, welche frei in der Zelle liegen, zum Ribosom. Dort werden die Aminosäuren zu Protein zusammengebaut. Werden weitere Proteine benötigt, wiederholt sich dieser Ablauf.
Beendigung des Produktionsvorganges:
Hätte die Bevölkerung genug von Schokoladenkeksen, blieben der Fabrik Produkte übrig. Das Originalrezept bräuchte man nun nicht mehr und das Lexikon könnte geschlossen werden. Der Mitarbeiter würde keine weiteren Rezepte abschreiben und zur Fabrik bringen. Was zur Folge hätte, daß die Bediensteten auch keine weiteren Zutaten beschaffen würden. Die Produktion wäre somit eingestellt.
In der Zelle bestimmt der Organismus durch seinen Verbrauch bzw. Bedarf, ob noch weitere Produkte, in diesem Fall Proteine, erzeugt werden sollen oder nicht. Sind genügend Proteine vorhanden, wird das DNA-Lexikon geschlossen und der Mitarbeiter kann kein weiteres Produktionsrezept zu der Fabrik, dem Ribosom, bringen. Die Produktion von Protein wird eingestellt.
Das Abschreiben des Rezepts nennt man Transkription und der Transport des Rezepts zum Ribosom, sowie die Produktion von Proteinen nennt man Translation. Diese Vorgänge laufen in allen Organismen gleich ab, egal, ob in einer Bakterien-, Menschen- oder Tierzelle ein Protein benötigt wird.
Der Translation, auch wenn andere Stoffe als Proteine produziert werden, geht immer ein Abschreibvorgang, ein Transkriptionsvorgang voran.
Für die Gentechnik sind diese Vorgänge sehr wichtig, weil erst dadurch die Veränderung der Stoffwechselkreisläufe möglich wird. Jeder Stoffwechselvorgang im Organismus wird durch Enzyme (Werkzeuge aus Protein) kontrolliert, und da deren Rezept auf gleiche Weise in allen Lebewesen gespeichert ist, läßt sich die Produktion von gewünschten und unerwünschten Stoffen regeln. Besonders wichtig ist das heute in der Pflanzenzucht, weil die Resistenzen der Pflanze durch genetisch eingesetzte `Proteinrezepte ´ ausgelöst werden können.
Der richtige Einbau eines Gens
Stefan Stabauer und Roman Schörghofer
Unsere Aufgabe besteht darin, Ihnen zu erklären, wie sich ein Gen gezielt entfernen läßt bzw., wie man ein Gen wieder einbauen kann.
Als erstes stellt sich uns die Frage, was ein Gen eigentlich ist?
Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, welche sich in jeder Körperzelle befindet. Die DNA (Desoxiribonucleinsäure), also auch Gene sind aus einer Sequenz bestehend aus vier Basen zusammengesetzt (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin). Zwei gegenüberliegende Basen bilden immer ein Basenpaar, das heißt, die DNA besteht aus einer unendlich langen Kette von Basenpaaren. Somit sind (menschliche) Eigenschaften eigentlich nur eine bestimmte Abfolge von Basenpaaren. Wie bereits gesagt, ist ein Gen ein Abschnitt der DNA, der genau ein Protein codiert. In Genen sind Eigenschaften gespeichert, wie zum Beispiel die Herstellung von Körperabwehrstoffen.
Zu welchem Zweck setzt man Gene neu ein?
In erster Linie zu menschlichen Vorteilen. Man kann zum Beispiel einem Bakterium, das sich im menschlichen Darm befindet, ein Gen einpflanzen. Dieses Gen veranlaßt, daß dieses Bakterium Insulin produziert. Insulin ist ein überlebenswichtiger Stoff für Diabetiker, der früher mühevoll aus den Bauchspeicheldrüsen von Schweinen gewonnen werden mußte.
Wie kann man nun ein solches Gen gewinnen?
Man legt zunächst eine Genbank an, dies ist eine Übersicht über die Gene, die sich in der DNA befinden. Dazu muß man die DNA aber erst in die einzelnen Abschnitte zerlegen. Das geschieht mit "genetischen Scheren", den sogenannten Restriktionenzymen, die die DNA an gewissen Stellen "auseinanderschneiden". Nun verfügt man über eine Unmenge von Genen, so lassen sich diese gezielt in andere Lebewesen einbauen.
Wo baut man solche Gene ein?
Baut man ein Gen in ein Bakterium ein, also in ein Lebewesen ohne Zellkern, in dem die DNA frei herum schwimmt, bedient man sich eines Tricks. Bakterien verfügen nämlich neben ihrer langen DNA auch noch über die "PLASMIDE". Plasmide sind kleine einfach aufgebaute DNA – Ringe, die sich frei in einem Bakterium bewegen.
 Plasmid in einem Bakterium |
 Verwendung des Plasmids für gentechnische Zwecke |
Warum sind Plasmide so praktisch zu bearbeiten?
Als erstes sind Plasmide wesentlich kürzer als die gesamte DNA, somit lassen sich Fremdgene wesentlich leichter einbauen. Weiters können sich einige Plasmide im Bakterium vermehren, ohne daß sich das gesamte Bakterium teilen muß. Außerdem sind Plasmide leicht transportierbar. Plasmide sind daher die wichtigsten Werkzeuge in der Gentechnik.
Wie baut man ein Fremdgen in Mikroorganismen ein?
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Zunächst löst man ein Plasmid aus einem Bakterium. Wenn danach ein reines Plasmid vorhanden ist, besteht der erste Schritt darin, das Plasmid an einer bestimmten Stelle "aufzuschneiden". Dies geschieht mit einer genetischen Schere, dem sogenannten Restriktionsenzym. Das Plasmid ist nun genau auf der Stelle aufgeschnitten, in der das Fremdgen eingesetzt werden kann. Das fremde Gen wird nun in den aufgeschnittenen Plasmidring eingesetzt. Das ist allerdings nur mit Hilfe von genetischem Klebstoff möglich, den sogenannten "Ligasen". Das Plasmid, das nun genetisch verändert ist, wird nun in die Zelle des gewünschten Bakteriums eingesetzt. (veränderte DNA = rekombinante DNA) |
 Schematische Darstellung einer DNA-Veränderung an einem Bakterium |
Wie verändert man die genetische Information bei Pflanzen und Tieren?
Der Einbau von bestimmten Genen in höhere Lebewesen gestaltet sich wesentlich schwieriger als bei Mikroorganismen. Tiere und Pflanzen verfügen nämlich über keine Plasmide, außerdem ist das Genom (ein Genom ist die Gesamtheit aller Gene, also die DNA) wesentlich größer. Deshalb nimmt man einen Teil von einer Pflanze (z.B. einen Teil eines Blattes), verändert diesen genetisch und läßt eine neue Pflanze daraus wachsen, die somit auch genetisch verändert ist.
Bei Tieren arbeitet man mit Ei- und Samenzellen. Die genetischen Werkzeuge (Restriktionsenzyme, Ligasen) bleiben gleich, nur setzt man hier Gene tatsächlich direkt in den langen DNA-Strang ein, hierzu bedarf es einen enormen Aufwand von Zeit und Arbeit.
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Methoden des Geneinbaues bei Pflanzen: 1.)"Die Gen- Bombardierung" Auf winzig kleinen Gold- oder Wolframpartikeln befindet sich das Gen, das eingebaut werden sollte. Diese Partikel werden beschleunigt und direkt in die Pflanzenzelle eingeschossen. Das fremde Gen bleibt im Zellkern und mit ein bißchen Glück fügt es sich auch in die DNA ein. Gold- und Wolframpartikel werden deshalb verwendet, weil sich in diesen Stoffen kein Element befindet, das die Pflanze verwenden könnte. |
 Darstellung der Genbombardierung |
2.) Gentransport durch das Agrobakterium tumefaciens:
Das Agrobakterium tumefaciens ist ein Bodenbakterium, das in Pflanzen eindringt. Dieses Bakterium verändert die genetische Information der Pflanze so, daß die Pflanze einen für die Bakterien überlebenswichtigen Stoff produziert. Als Nebenwirkungen entstehen Tumore an der Pflanze.
Das Bakterium verändert also die genetische Information der Pflanze, "doch wie?" Natürlich mit Plasmiden, und mit Plasmiden wissen die Gentechniker auch einiges anzufangen. Will also ein Gentechniker eine Pflanze genetisch verändern, dann nimmt er einfach ein Plasmid des Agrobakteriums tumefaciens, "schneidet" das krebserregende Gen heraus und fügt ein anderes Gen ein. Danach bringt er das Plasmid wieder in das Bakterium und schleust das Bakterium in eine Pflanze ein, somit bringt dieses Bakterium unser Gen direkt in die Pflanzen-DNA.
Antibiotikaresistenz
Man nimmt einfach Bakterien, die in ihren Plasmiden eine Resistenz gegen zwei Antibiotika gespeichert haben. Diese Antibiotika sind Tetracyclin und Ampicillin. Nun nimmt man eine Schere (Restriktionsenzym), die zum Beispiel das Tetracyclin-Gen auseinanderschneidet. Mit der gleichen Schere schneidet man nun aus einem anderen DNA-Stück ein Gen heraus.
Die Schere soll deshalb die gleiche sein, damit sich das Gen problemlos in das geöffnete Plasmid einfügen läßt. Nun versucht man das Gen in das Plasmid einzusetzen.
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Wie kann man herausfinden, ob das Gen aufgenommen wurde?
Der nächste Schritt besteht darin, die Bakterien in Tetracyclin zu geben. Wurde das Fremdgen aufgenommen, so wurde die Tetracyclin-Resistenz gestört. Das bedeutet, daß die Bakterien abgetötet werden. Werden also die Bakterien in Tetracyclin abgetötet, kann man mit Sicherheit sagen, daß das Fremdgen aufgenommen wurde. Überleben die Bakterien, weiß man, daß das Fremdgen nicht aufgenommen wurde. In seltenen Fällen schließt sich das Fremdgen auch selber zu einem Ring, dazu muß es allerdings lang genug sein. In diesem Fall kann das Gen logischerweise nicht eingebaut werden. |
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Warum wählt man ausgerechnet Tetracyclin und Ampicillin?
Diese Antibiotika waren die ersten, die entdeckt wurden. Man weiß so ziemlich alles über sie und man hat sie voll im Griff. Würde ein Bakterienstamm durch einen Unfall in die Umwelt gelangen, wäre das nur mit einem geringen Risiko verbunden. Bakterien dieser Art können nämlich der Umwelt fast keinen Schaden zufügen.
Der Promotor – ein genetischer Schalter
Die größte Schwierigkeit bei einem Geneinbau liegt darin, mit dem Gen einen Promotor einzubauen. Ein Promotor ist vergleichbar mit einem Schalter, denn diese Promotorsequenz bewirkt, daß ein Gen überhaupt abgelesen und die in dem Gen gespeicherte Information ausgeführt werden kann. Es gibt verschiedene Arten dieser Schalter, niedere Lebewesen (Einzeller) haben zum Beispiel einen anderen Schalter als höhere Lebewesen. Es gibt Protomotoren, die bewirken, daß bestimmte Gene nicht so oft abgelesen werden.
Quellen:
Unser Lebensmittel heute und Morgen
AK Konsumentenschutz, Salzburg, Gentechnikbroschüre
Gen Suisse, Bern, Gentechnikbroschüre
Bundesministerium für Frauenangelegenheiten und Verbraucherschutz
Gentechnikinformationsbroschüre
Werkzeuge der Gentechnik
Leonhard Brunnauer und Johannes Eisl
Die Werkzeuge der Gentechnik:
Um Gentechnik überhaupt betreiben zu können, braucht man die Erbinformation eines Lebewesens, die DNA. In diese DNA kann man allerdings mit keinen Maschinen eingreifen. Deshalb benötigt man Stoffe, um die DNA zu verändern. Enzyme sind Stoffe, die Reaktionen auslösen, ohne selbst dabei verbraucht zu werden. Enzyme kommen in jeder lebenden Zelle vor.
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Restriktionsendonucleasen (Restriktionsenzyme):
Restriktionsenzyme können die DNA zerschneiden. Sie schneiden aber nur an einer ganz bestimmten Stelle der DNA. Die Abbildung zeigt ein Enzym, das nur nach der Basenabfolge AAG schneidet. Heute kennt man einige hundert Restriktionsenzyme, die alle an einer bestimmten Stelle schneiden. Diese Schnittstellen sind punktsymmetrisch und werden als Palindrome bezeichnet. |
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Ligasen:
Ligasen sind Klebeenzyme, die DNA-Enden verknüpfen. Dabei verbinden sie den Phosphatrest des einen DNA-Stranges mit dem Zuckerrest des zweiten. Weiters werden die Basen Adenin(A) und Thymin(T) und die Basen Guanin(G) und Cytosin(C) über Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft.
Vektoren:
Vektoren können das veränderte Erbgut in die Zelle einschleusen. Freie DNA-Stücke werden von der Zelle nur aufgenommen, wenn man die Zellmembran mit Chemikalien oder Elektroschocks durchlässig macht. Vektoren durchdringen die Zellmembran auf natürliche Weise.
* Plasmide:
Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle außerhalb der Haupt-DNA, die nur in Bakterien vorkommen. Sie enthalten etwa 2.000 bis 10.000 DNA Bausteine(Nukleotide), sie sind also sehr klein und werden von den Bakterien untereinander ausgetauscht. Sie enthalten oft Antibiotikaresistenzen. Antibiotika sind Ausscheidungen von bestimmten Bakterien und Pilzen, um das Wachstum von konkurrierenden Mikroorganismen zu hemmen, oder diese zu töten. Wen viele Bakterien einem Antibiotikum ausgesetzt sind, und ein Bakterium ein Resistenzgen besitzt, so wird dieses durch Plasmide auf andere Bakterien übertragen.
Antibiotika, die in der Gentechnik verwendet werden, werden in der Humanmedizin nur mehr als Wirkstoffe im Breitbandantibiotikum eingesetzt. Dies sind vor allem die Stoffe Ampizilin und Tetracyclin, die für die Gentechnik eingesetzt werden. Antibiotika-Resistenzen sind von Vorteil, weil sie sogenannte Markergene sind. Sie werden gleichzeitig mit einer gewünschten Eigenschaft in eine Zelle eingebaut. Nimmt die Zelle das genetische Material auf, so trägt sie sowohl die gewünschte Eigenschaft als auch die Antibiotika-Resistenz. Gibt man der Zelle Antibiotika und sie überlebt, trägt sie das gewünschte Erbmaterial.
* Viren:
Viren aller Arten vermehren sich, indem sie der Zelle ihr genetisches Material einschleusen und die Stoffwechselvorgänge der Zelle dazu nützen, um neue Viren zu produzieren. Viren können als Erbmaterial DNA oder RNA(eine Kopie der DNA) tragen. Bei Viren mit RNA muß das Virus ein Enzym (Reverse Transkriptase) mitbringen, das die RNA in DNA umschreibt. Viren, die Bakterien befallen, nennt man Bakteriophagen. Sie sind vor allem für die Gentechnik von großer Bedeutung.
Mikroorganismen:
In Mikroorganismen wird das genetische Material eingepflanzt und vermehrt. Diese Organismen bezeichnet man als "Sicherheitsstämme". Diese können nur im Labor existieren. Mikroorganismen werden für die Produktion von Arzneimitteln verwendet. Am häufigsten wird das Bakterium Escherichia coli verwendet. Es kommt fast überall zum Einsatz. Es ist eine abgewandelte Laborart eines im menschlichen Darm vorkommenden Bakteriums. Diese Laborform kann beim Menschen keine Krankheiten mehr verursachen.
Sequenzierung
Mit Hilfe der Sequenzierung erhält man die Abfolge der Basen. Sie ist wichtig, um den Inhalt eines Gens erkennen zu können.
Die Sequenzierung geschieht meist durch Gelelektrophorese. Hier wird die vorbereitete DNA in ein Gel einpipettiert und Spannung angelegt. Die DNA Stücke wandern unterschiedlich schnell in Richtung Anode.
Zur Vorbereitung der DNA für diesen Schritt bedarf es einige Zeit. Zuerst muß das zu untersuchende Stück geklont und in vier Behälter aufgeteilt werden. In jeden Behälter kommt dATP (desoxi Adenin Tri Phosphat), dTTP (...Thymin...), dCTP (...Cytosin...) und dGTP
(... Guanin ...). Diese Teile sind leicht radioaktiv. Dazu kommt DNA Polymerase und in den 1.Behälter ddATP (didesoxi Adenin...), in den 2.Behälter ddTTP, in den 3. ddCTP und in den 4. ddGTP. Jetzt baut die Polymerase die Nukleotide so aneinander, daß immer A mit T und C mit G verbunden wird.
Baut die Polymerase nun im 1. Behälter ein ddATP ein, so kann nicht mehr weiter gebaut werden. Dies liegt in der Struktur des ddATP begründet. Es kann auch sein, daß die Polymerase beim ersten Mal ein dATP einbaut. Dann wird die Kette weitergebaut und bricht erst dann ab wenn z.B. beim 4. Mal statt eines dATP ein ddATP eingebaut wird. So entstehen im 1. Behälter nur DNA Bruchstücke, die als letzte Base ein A haben, im 2. nur T...
Im zweiten Teil wird jetzt aus den einzelnen Behältern Flüssigkeit in das Gel pipettiert. Dazu wurden zuvor "Geltaschen" von wenigen Millimetern Durchmesser vorbereitet. In die 1. Tasche kommt Flüssigkeit aus dem 1.Behälter, in die 2. .... Jetzt wird Spannung angelegt. Die DNA ist leicht negativ geladen und wandert deshalb in Richtung Anode. Die DNA liegt parallel zur Anode. Die kleinen Stücke können leichter durch das netzartige Geflecht des Gels. Nach einer bestimmten Zeit wird die Spannung weggenommen und das Ergebnis auf einer Fotoplatte aufgezeichnet. Das ist möglich weil die eingebauten Nukleotide leicht radioaktiv sind. Eine andere Möglichkeit ist, die DNA mit einer fluoreszierenden Substanz zu markieren.
Oft will man jedoch nur die Länge eines DNA Stückes wissen. Hierzu verwendet man Markergene. Von Markergenen kennt man die genaue Länge. Man vergleicht die Banden des Markergens mit denen der zu untersuchenden DNA.
Viren, die natürlichen "Gentechniker"
Stefan Dürnberger
Viren sind eine biologische Einheit aus einer Nucleinsäure und einer Proteinhülle, die sich nur in einer geeigneten Wirtszelle vermehren können. Jeder Virus hat eine spezifisch für ihn abgestimmte Wirtszelle!
Der Vergleich von Viren und Zellen zeigt, daß Viren nicht alle Kennzeichen des Lebendigen tragen. Es fehlt ihnen ein eigener Stoffwechsel. Sie können sich daher nicht selbst vermehren, sondern veranlassen die Zellen, die sie befallen haben (Wirtszellen), Virus-Nukleinsäure und Virusprotein und damit neue Viren zu bilden. Die Wirtszellen gehen dabei zugrunde.
Viele Viren sind Krankheitserreger. Beim Menschen verursachen sie zum Beispiel Kinderlähmung, Grippe, Schnupfen, Masern, Pocken, Aids; auch sind die Viren Erreger bestimmter Arten von Krebs.
Eine Gruppe von Viren, die Bakteriophagen (kurz Phagen), befällt Bakterien.
Beim Bakteriophagen sind zwei Strukurprinzipien vereint: der "Schwanz" ist schraubig gebaut, während der DNA haltige Kopf einem Polyeder (von mindestens drei ebenen Flächen begrenzter Körper) entspricht. Der Phagenschwanz ist aus mehreren Komponenten zusammengesetzt, von denen die innere Kanüle (Röhrchen zum Injizieren der DNA) und ihre äußere Scheide helikalen Aufbau zeigen.
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Die Bakteriophagen können zum Beispiel spezifische Rezeptorstellen (Stelle zur Aufnahme von Reizen) an der Zellwand von Escherichia coli erkennen und die Anheftung der Endplatte einleiten. Sitzt der Phage schließlich fest, dann wird durch Lysozym (ein Enzym) die Bakterienzellwand an dieser Stelle erweicht. Jetzt kontrahiert sich die Schwanzscheide und drückt die Schwanzkanüle durch Zellwand und Zellmembran des Bakteriums hindurch, so daß die DNA aus den Phagenkopf ins Innere der Bakterienzellwand gelangen kann. Die Viren DNA wird nun vom Bakterium aufgenommen. Die Proteinhülle bleibt auf der Oberfläche des Bakteriums zurück. Das Bakterium liest nun die Viren–DNA ab und produziert Viren, weil das so in ihrem Bauplan steht. Etwa 20 bis 30 Minuten nach der Injektion platzt die Bakterienzellwand auf und entläßt 30-200 neue Bakteriophagen. |
 Bakteriophagen befallen ein Bakterium |
Quelle: Czihak, Langer, Ziegler: Biologie. 1984