Gentechnik Flashcards
Bt-Mais
Was ist es, wofür steht Abkürzung & Konsequenzen
• Können sich Pflanzen selbst gegen schädliche Organismen wehren, ist der Ertragsverlust durch Pflanzenschädlinge gering.
• Mais zahlt in vielen Regionen der Welt zu den am meisten angebauten Nutzpflanzen.
• Um Ertragsverluste durch Schädlinge zu vermeiden, hat die Industrie gentechnisch veranderten Bt-Mais hergestellt.
• Bt-Mais heißt diese Maissorte deswegen, weil sie ein Gen des Bakteriums Bacillus thuringiensis, kurz Bt, enthält.
• Dieses codiert ein Eiweiß, das auf bestimmte Insektenlarven wie z. B. die Maiszünslerraupen giftig wirkt.
• Die Raupen dieser Schmetterlingsart fressen sich durch die Sprosse von Maispflanzen. Die Pflanzen werden dadurch stark geschädigt, häufig knicken ihre Sprossachsen ab. Fressen die Raupen das Gewebe von Bt-Mais, gelangt das von der Pflanze produzierte Gift in den Darm der Tiere. Dort bindet es an bestimmte Bindungsstellen auf der Darmwand. Die Darmwand wird dadurch geschädigt und das betroffene Tier stirbt.
Goldener Reis
Welcher Vitamin, wofür hergestellt?
- bekannteste Beispiel für gentechnisch mit Vitaminen versetzten Sorten ist der „Goldene Reis”
- Reissorte, die von einer Forschungsgruppe in den 1990er-jahren gentechnisch so verändert wurde, dass sie Provitamin A (Beta-Carotin) enthält.
*Der menschliche Körper braucht Provitamin A, das er in Vitamin A umwandelt, für verschiedene Stoffwechselvorgänge. - Provitamin A ist bei herkömmlichem Reis nur in der Schale der Reiskörner enthalten. In zahlreichen Landern der Welt ernähren sich viele Menschen jedoch fast ausschlielslich von geschalten Reiskörnern.
- Schätzungen der WHO weltweit etwa 127 Mio. Kinder an Vitamin-A-Mangel
Dieser Mangel führt häufig zum Erblinden. - Etwa die Hälfte von ihnen stirbt innerhalb eines Jahres.
- Diesen Umständen sollte die Ernährung mit „Goldenem Reis” vorbeugen
Biotechnologie
Erklärung & Ziele & Einsatzbereiche
• beschreibt ein vielfältiges Wissenschaftsgebiet, das sich die Eigenschaften und Fähigkeiten von Lebewesen, Zellen / deren Bestandteile nutzbar macht.
* Ziel: effiziente technische Verfahren zu entwickeln, um bestimmte Produkte herzustellen.
• hat lange Geschichte und spielt z. B. in Nahrungsmittelproduktion (z.B. Herstellung von Essig, Bier und Wein mittels Gärung) seit 1000 J. wichtige Rolle.
• moderne Biotechnologie nutzt seit dem 19. Jahrhundert zunehmend mikrobiologische und seit Mitte des 20. Jahrhunderts verstärkt auch molekularbiologische, genetische bzw. gentechnische Erkenntnisse und Methoden. Dadurch gelang die Entwicklung von verschiedenen Herstellungsverfahren, u.a.:
•für bestimmte chemische Verbindungen, z. B. als Wirkstoff fur Medikamente in der Medizin
* für Diagnose und Therapiemethoden
* für gentechnisch veränderte Mikroorganismen mit neuen Eigenschaften
* neue Pflanzensorten
Ablauf genetischer Insulinproduktion
Schritte zsmgefasst
- DNA wird geschnitten:
Restriktionsenzyme erkennen Basenabfolgen - Gewünschtes Gen wird identifiziert:
durch Gensonden - Vermehrung gewünschten Gens:
Polymerase-Kettenreaktion PCR → Klone von Sequenz entstehen - DNA Bakteriums wird rekombiniert:
Gentaxis → F-Plasmide / Phagen (Viren, befallen Bakterien) als Vektoren, Passagier-DNA herausgeschnitten → DNA-Ligase → rekombinantes Plasmid - Transformation wird künstlich angeregt:
Bakterien & Plasmide in Nährlösung
Vorteile Gentechnik Insulinproduktion
Früher wurde Insulin zur Behandlung von Diabetes Typ 1 aus den Bauchspeicheldrüsen von Tieren gewonnen. Seit Anfang der 90er-Jahre gibt es einfache, gentechnische Produktionsverfahren, mit denen menschliches Insulin hergestellt wird. Diese Ver.
Tradrennaben menrere vorrene’
* Sie ermöglichen die Produktion großer Mengen an Insulin.
* Es kommt zu keiner Antikörperbildung und damit auch nicht zu allergischen Reak.
tionen, wie es bei dem aus Tieren gewonnenen Hormon der Fall sein kann.
* Die Gefahr der Ubertragung von Infektionskrankheiten ist sehr gering
* Die Wirksamkeit ist höher, da menschliches Insulin genau in die Insulinrezeptoren der Zielzellen passt.
Grüne Gentechnik
Erklärung, Vorbild
- Die Gentechnik macht es möglich, gezielt einzelne Merkmale von Pflanzen zu verändern. Dazu werden Gene aus anderen Lebewesen (z. B. aus Bakterien, Pilzen, Viren, anderen Pflanzen- / Tierarten) in das Erbgut von Pflanzen eingeschleust, die wünschenswerte Merkmale codieren (z. B Schädlingsresistenz)
- Die Übertragung von Genen in das pflanzliche Erbgut hat ein natürliches Vorbild. Das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens erkennt verletzte Pflanzenzellen, kann sich an diese anheften und DNA in diese Zellen übertragen
Grüne Gentechnik
Übertragungsprozess, Wurzelhalstumore
- Bei der Übertragung spielt das Ti-Plasmid der Bakterienzelle eine wesentliche Rolle.
- Das Ti-Plasmid enthält Gene, die bewirken, dass zwischen Bakterien- und Wirtszelle eine Verbindung mithilfe von Poren aufgebaut wird. Durch diesen Porenkomplex gelangt dann ein Teil der Plasmid-DNA, auch T-DNA genannt, in die Pflanzenzelle und wird in das pflanzliche Erbgut der Wirtspflanze eingebaut. Die Gene der T-DNA werden bei der Transkription in der Pflanzenzelle abgelesen. So werden einerseits Proteine gebildet, die das angeheftete Agrobacterium zum Leben benötigt.
- Andererseits entstehen durch ein Tumor-erzeugendes Gen Wucherungen (Wurzelhalstumore) bei der befallenen Pflanze.
Grüne Gentechnik
natürliche Transformation DNA
- Diese natürliche Transformation von DNA macht sich die Forschung zunutze: Der Bakterienzelle wird das Ti-Plasmid entnommen.
- Aus dem Ti-Plasmid wird dann das Tumor-erzeugende Gen herausgeschnitten und an dessen Stelle ein fremdes Gen, das neue Eigenschaften (z. B. Insektizidresistenz) bewirkt, sowie ein Resistenzgen gegen ein Antibiotikum eingebaut . Anschließend wird das veränderte Ti-Plasmid wieder in das Agrobacterium übertragen. Um Pflanzenzellen für die Transformation zu gewinnen, werden Blattstückchen der Pflanze auf Nährböden kultiviert .
- Bringt man nun das Agrobacterium mit den Pflanzenzellen in Kontakt, schleust das Bakterium seine T-DNA mit der Fremd-DNA in eine Pflanzenzelle ein.
- Im Anschluss werden auf Nährböden aus den behandelten Pflanzenzellen neue Pflanzen herangezüchtet.
- Die transgenen Pflanzen, bei denen die Übertragung der Fremd- DNA funktioniert hat und die damit auch ein Resistenzen enthalten, können anhand ihrer Antibiotikum - Resistenz erkannt und selektiert werden.
Grüne Gentechnik
Unterscheidung von herkömmlichen Zuchtmethoden & Ziele
Dieses Einfügen einzelner, meist artfremder Gene unterscheidet die grüne Gentechnik von herkömmlichen (konventionellen) Zuchtmethoden. Die Ziele der Züchterinnen und Züchter sind aber z. T. noch dieselben wie vor 10000 Jahren:
* Resistenzen gegen Schädlinge (z. B. Insekten, Pilze, Viren, Bakterien,) und Herbizide (Unkrautbekämpfungsmittel)
* bessere Widerstandskraft gegen extreme Umweltfaktoren wie Trockenheit und Kälte
* bestimmte zusätzliche Inhaltsstoffe wie Vitamin A
* das Entfernen von unerwünschten Inhaltsstoffen (z.B. Bitterstoffen, Allergenen
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 1: Die DNA wird geschnitten
- Insulin wird mithilfe von gentechnisch veränderten (= transgenen) Bakterien hergestellt. Dazu muss das menschliche Gen, welches das Protein Insulin codiert, isoliert (z.B. aus Zellen der Mundschleimhaut) und in eine Bakterienzelle übertragen werden.
- Gentechnikerinnen und Gentechniker wissen, in welchem Abschnitt der menschlichen DNA sich das Insulin-Gen befindet.
- Sie müssen es zur weiteren Verwendung aus dem DNA-Strang herausschneiden.
- Als „Schere” dienen ihnen Restriktionsenzyme. Diese Proteine erkennen bestimmte Basenabfolgen der DNA (= Erkennungssequenz) und schneiden immer dort, wo diese vorkommen, die DNA-Stränge durch.
- Beispiel: Restriktionsenzym EcoRI, dessen spezifische Erkennungssequenz GAATTC lautet.
- Das Ergebnis der Behandlung mit Restriktionsenzymen sind unterschiedlich lange DNA-Abschnitte (DNA-Fragmente), wovon eines das Insulin-Gen enthält.
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 2: Das gewünschte Gen wird identifiziert.
- Die Basenabfolge des Insulin -Gens ist bekannt, sie wurde anhand der Amino-säurensequenz des Proteins entschlüsselt.
- Das ist wichtig, denn so können sie im nächsten Schritt Gensonden einsetzen, um das Insulin-Gen zu identifizieren und zu isolieren. Gensonden sind kurze, einzelsträngige DNA- (oder RNA-)Stücke, die mit Markerstrukturen wie z. B. radioaktiven Isotopen oder Fluoreszenzfarbstoffen verbunden sind.
- Die Basenabfolge der Gensonde ist komplementär zu einem bestimmten DNA-Abschnitt des gesuchten Gens.
- Die Gensonden werden in das Gemisch aus DNA-Fragmenten gegeben.
- Danach wird das Gemisch erhitzt, damit die doppelsträngige DNA in zwei Einzelstränge zerfällt.
- Nun kann sich die Gensonde an die komplementäre DNA-Basensequenz anlagern und das gewünschte DNA-Fragment, in diesem Beispiel das
Insulin-Gen, markieren.
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 3: Vermehrung des gewünschten Gens
- Nun muss das gewünschte Gen, in diesem Fall das Gen für Insulin, vervielfältigt werden (= DNA-Klonierung”). Diese Vervielfältigung erfolgt meist durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
- Dies ist eine molekularbiologische Methode zur Herstellung zahlreicher Kopien eines definierten DNA-Abschnitts, die heute bei einer Vielzahl von biologischen und medizinischen
Anwendungen eingesetzt wird
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 4: Die DNA des Bakteriums wird rekombiniert.
- Das isolierte Insulin-Gen wird nun in die Erbinformation eines Bakteriums eingefügt. Dafür müssen zuerst Gentaxis (Vektoren) hergestellt werden, die das gewünschte Gen in die Bakterienzelle transportieren.
- Als Gentaxis für das Insulin -Gen dienen F-Plasmide von Bakterien.
- In anderen Fällen werden auch
Bakteriophagen als Vektoren verwendet.
Für eine erfolgreiche Übertra-gung müssen F-Plasmide, - eine Schnittstelle für das verwendete Restriktionsen-zym aufweisen,
- ein Antibiotikum-Resistenzgen aufweisen und
- sich im Bakterium vermehren können.
- Für die weiteren Arbeitsschritte wird ein passendes F-Plasmid aus einem Bakterium entnommen. Dann wird es mit dem gleichen Restriktionsenzym, das zuvor beim menschlichen Erbgut verwendet wurde, an einer bestimmten Stelle aufgeschnitten.
- Da die Restriktionsenzyme beim Durchtrennen der DNA ein charakteristisches Schneidemuster hinterlassen, passen die Enden der zuvor herausgeschnittenen Passagier- DNA, in diesem Fall das DNA-Fragment mit dem menschlichen Insulin-Gen, wie ein Puzzlestück in den geöffneten Plasmid-Ring.
- Mithilfe des „Klebe”-Enzyms DNA-Ligase wird das DNA-Fragment mit dem Plasmid verbunden. Das Resultat ist ein rekombinantes Plasmid: das Plasmid eines Bakteriums mit dem eingebauten menschlichen Insulin-Gen.
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 5: Die Transformation wird künstlich angeregt.
- Das rekombinante Plasmid muss nun wider in das Bakerium eingeschleust werden (= Transformation)
- Dazu bringen Gentechnikerinnen und Gentechniker die Bakerien und die Plas-(mide in einem Röhrchen mithilfe einer Nährlösung zusammen. Damit die Bakerien die Plasmide aufnehmen, müssen sie spezifisch behandelt werden
- Dies erfolgt beispielsweise mit Kälte, Hitze, Calciumchlorid (CaCl) oder auch mit Stromspannung (= Elektroporation). Dadurch werden die Zellmembranen der Bakterienzellen für das Plasmid durchlässig.
Die gewünschte DNA kann auch direkt ohne Vektoren in die Zellen gelangen. Dazu gibt es folgende Möglichkeiten: - Die DNA wird in Fettkügelchen verpackt. Diese werden durch Endocytose von Zellen aufgenommen.
- Die DNA wird mit sehr feinen Glasröhrchen in die Zellen injiziert (= Mikroinjektion).
- Die DNA wird mithilfe von beschichteten Gold- oder Wolframkügelchen in die Zellen hineingeschossen (= Genkanone)
Ablauf der gentechnischen Insulinproduktion
Schritt 6: Die gentechnisch veränderten Bakterien werden selektiert.
- Nicht alle Bakterienzellen, sondern nur etwa eine von 10000 Zellen nimmt ein verändertes Plasmid auf. Daher müssen Gentechnikerinnen und Gentechniker unterscheiden können, welche Zelle ein gentechnisch verändertes Plasmid enthält und welche nicht.
- Die Selektion der Zellen ist aufgrund des Antibiotikum-Resistenzgens möglich. Dieses Gen codiert ein Eiweiß, das als Schutz vor bestimmten antibiotischen Stoffen wirksam ist.
- Enthält eine Zelle das veränderte Plasmid, welches auch das Antibiotikum-Resistenzgen trägt, ist sie gegen ein bestimmtes Antibiotikum geschützt.
- Bringt man nun die Bakterien in eine Nährstofflösung mit beispielsweise dem Antibiotikum Tetracyclin ein, können sich nur jene Bakterien vermehren, die gegen dieses Antibiotikum resistent sind, da sie das rekombinante Plasmid enthalten.
- Die Bakterien ohne verändertes Plasmid hingegen sterben ab.
