Neue Gentechnik-Verfahren

Was sind die neuen Gentechnik-Verfahren?

In den letzten Jahren wurden verschiedene neue gentechnische Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe verändernd in das Genom von Pflanzen und Tieren eingegriffen werden kann. So lassen sich zum Beispiel Resistenzen gegen Krankheiten, gegen Insektenbefall oder Unkrautvernichtungsmittel erzeugen. Bei Tieren können ebenfalls Resistenzen gegen Krankheiten oder eine (weitere) Leistungssteigerung (mehr Milch, mehr Muskelansatz, also mehr Fleisch) entwickelt werden.

Unter dem Oberbegriff neue Gentechnik-Verfahren werden sehr unterschiedliche Techniken zusammengefasst. Verfahren wie die Cis- und Intragenese unterscheiden sich kaum von der bekannten „klassischen“ Gentechnik (Transgenese). Bei manchen Verfahren werden gentechnische und konventionelle Züchtungsschritte miteinander kombiniert, andere lösen durch einen Eingriff zelleigene Reparaturmechanismen aus, um eine Veränderung herbeizuführen. Im Fokus stehen aktuell vor allem die als Genome Editing bezeichneten Verfahren.

Genome Editing

Mit dem Begriff Genome Editing werden verschiedene molekularbiologische Verfahren bezeichnet, mit denen gezielt Veränderungen in DNA-Sequenzen vorgenommen werden sollen. Die wichtigsten sind die „programmierbaren Nukleasen“ und die „Oligonukleotid-gesteuerte Mutagenese“ (OgM). Mit den neuen Verfahren ist das Versprechen verbunden, dass einzelne Sequenzen des Genoms – anders als bei klassischen Gentechnik-Verfahren – präzise „umgeschrieben“ würden und das Ergebnis daher von natürlichen Mutationen nicht zu unterscheiden sei. Die künstlichen Veränderungen können Gene inaktivieren oder ihre Funktionsweise verändern. Gemeinsam ist den Verfahren, dass sie zellinterne Reparaturmechanismen ausnutzen, um die gewünschten Veränderungen am Genom vorzunehmen.

„Programmierbare Nukleasen“

Als „programmierbare Nukleasen“ werden Enzyme bezeichnet, die an bestimmte Stellen im Genom binden. Diese Fähigkeit, an bestimmte DNA-Sequenzen anzulagern, ist entsprechend des Zielortes modifizierbar. Nach der Bindung zerteilen („schneiden“) die Nukleasen das Genom, erzeugen also Doppelstrangbrüche der DNA. Das wiederum löst zelleigene Reparaturmechanismen aus. Welcher Mechanismus dabei zum Einsatz kommt, ist schwer zu steuern, aber entscheidend für die Auswirkungen des Verfahrens. Die Sequenz des betroffenen Gens kann durch das Einfügen oder Entfernen einzelner Basen inaktiviert werden oder durch eine andere – funktionale – Sequenz (beispielsweise ein anderes Gen) ersetzt werden.

Am erfolgreichsten ist derzeit der Einsatz von DNA-Scheren zur Veränderung des natürlichen Erbguts ohne die Einfügung zusätzlicher DNA. Damit werden in der Regel die natürlichen Gene „ausgeschaltet“ (knock-out). Für diese Anwendung muss die DNA für die Gen-Schere nicht unbedingt im Erbgut verankert werden, sondern kann beispielsweise − bei bestimmten Pflanzenarten − als vor-synthetisiertes Enzym in die Pflanzenzellen eingebracht werden („transiente Methode“ - transient = vorübergehend). Die Gen-Schere gelangt dabei auch in den Zellkern, zerschneidet die DNA und überlässt der Zelle die Reparatur der zerstörten DNA-Sequenz. Das Enzym wird von der Zelle abgebaut.

Die transiente Methode wird aus wirtschaftlichen und rechtlichen Gründen von den Betreibern in den Vordergrund geschoben: Man hofft, die gesetzlichen Regelungen für Zulassung und Kennzeichnung unterlaufen zu können, wenn keine zuätzliche DNA in die Pflanzen oder Tiere eingefügt wird (Wolter & Puchta, 2017). Dies ist eine rechtlich umstrittene Strategie (Kraemer, 2015; Spranger, 2015) die auch wissenschaftlich nicht nachvollziehbar erscheint, da das Erbgut von Pflanzen und Tieren durch diese Methode sehr wohl gentechnisch verändert wird: Die Zerstörung natürlicher DNA-Strukturen, beispielsweise durch Entfernen von DNA-Abschnitten, ist ein technischer Eingriff ins Erbgut, der mit Risiken einhergeht, auch wenn keine zusätzliche DNA inseriert wird.

Die Verfahren im Einzelnen:

Off-target Effekte statt Präzision

Auch wenn die Berichterstattung über Genome Editing häufig das Gegenteil behauptet: Von der beworbenen Präzision der neuen Verfahren kann keine Rede sein.

Da die Nukleasen eine Toleranz von einigen Basenpaaren besitzen, können neben der Zielsequenz potenziell tausende weitere DNA-Sequenzen als „Off-Target-Effekt“ verändert werden.

Darüber hinaus beruht die gängige Vorstellung, mit Genome Editing-Verfahren könnten gezielt ganz bestimmte Funktionen erzeugt oder (wieder) in Gang gesetzt werden, auf unzulässigen Vereinfachungen: Für die meisten intensiv erforschten Gene sind verschiedene Funktionen bekannt; in unterschiedlichen Geweben, zu unterschiedlichen Entwicklungszeitpunkten oder sogar in unterschiedlichen Signalkaskaden innerhalb ein und derselben Zelle (so genannte pleiotrope Geneffekte). Wie bei der alten Gentechnik wird diese Komplexität, sowohl des Informationsgehalts des Genoms als auch der Informationsübertragung, vernachlässigt. Wir haben es also immer noch, wie bei der alten Gentechnik, mit einem sehr reduktionistischen Ansatz zu tun. Pflanzen und Tiere erscheinen als „Baukästen“, in denen man beliebig „herumschrauben“ kann.

In jedem Fall unterscheiden sich die neuen Gentechnikverfahren in ihrer Eingriffstiefe deutlich von den bisher üblichen Verfahren der Züchtung: Mit CRISPR beispielsweise kann die DNA an mehreren Orten gleichzeitig verändert werden: Die Nuklease bearbeitet das Erbgut an allen Stellen, an denen sich die entsprechenden Zielsequenzen befindet. Oft gibt es Gruppen von Genen, die ähnliche oder identische Strukturen haben – diese können alle mit einem Schritt verändert werden. So können z. B. ganze Genfamilien in einem Organismus ausgeschaltet werden. Weder mit konventioneller Züchtung, noch mit der alten Gentechnik ist so etwas ohne weiteres möglich. 

Sind Genome-Editing-Verfahren nur eine neue Variante konventioneller Mutagenese?

In der Diskussion um die rechtliche Einordnung der neuen Gentechnikverfahren wird gezielt versucht, die Grenze zwischen Gentechnik und konventioneller Mutagenesezüchtung zu verwischen. So soll der Eindruck erweckt werden, dass Veränderungen des Erbgutes, die durch die neuen Gentechnikverfahren entstanden sind, praktisch identisch mit denen der konventionellen Züchtung seien.

Die mit den neuen Gentechnik-Verfahren vorgenommenen Eingriffe können jedoch, auch wenn es sich um Punktmutationen handelt, nicht denen gleichgesetzt werden, die in der konventionellen Mutagenesezüchtung vorgenommen werden: Die Verfahren zur konventionellen Züchtung setzen immer an der ganzen Zelle oder dem ganzen Organismus an und greifen nicht direkt in die DNA im Zellkern ein. Dagegen verändern gentechnische Verfahren das Erbgut direkt auf der Ebene der DNA und unterliegen deshalb nicht den natürlichen, biologischen Mechanismen der Vererbung. Daher können sie die Mechanismen der Genregulierung teilweise umgehen und/oder manipulieren.

 

CRISPR Cas9

CRISPR/Cas9

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

CRISPR/Cas9 ist ein im Jahr 2012 entwickeltes molekularbiologisches Werkzeug, das ursprünglich aus Bakterien stammt. Mit CRISPR/Cas9 lassen sich im Erbgut von Lebewesen Gene gezielt ausschalten, verändern, entfernen oder hinzufügen.

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OgM1

OgM

Oligonukleotid gerichtete Mutagenese (OgM)

Bei der OgM werden synthetische DNA-Abschnitte (so genannte Oligonukleotide) in die Zelle eingeschleust. Durch die somit manipulierte DNA werden zelleigene Reparatur-Mechanismen aktiviert, welche an bestimmten Stellen im Erbgut Mutationen auslösen, die beispielsweise eine Herbizidresistenz bewirken.

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TALEN

TALEN (transcription activator-like effector nucleases)

Programmierte Nukleasen

Auch das TALEN-Verfahren beruht auf dem Einsatz von Nukleasen, die programmiert sind, um bestimmte DNA Ziel-Sequenzen zu finden und dort den DNA-Strang zu durchschneiden.

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RNAi

RNA-Interferenz (RNAi)

Die neuen Merkmale können Risiken für Mensch und Umwelt bergen

Die RNA-Interferenz (RNAi) ist ein zellinterner Prozess, bei dem RNA-Moleküle der zielgerichteten Stilllegung von Genen dienen. Dieser Prozess wird in der Biotechnologie unter anderem dazu verwendet, Pestizide sowie gentechnisch veränderte Pflanzen herzustellen.

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ZFN

Zinkfinger-Nukleasen (ZFN)

Kleinste aller bisher bekannten „Genscheren“

Mittels ZFN wird wie bei anderen Genome Editing-Verfahren die DNA durch Einfügen, Entfernen oder Austausch bestimmter DNA-Abschnitte an bestimmten Stellen gezielt verändert.

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