Gentechnik

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Elemente der Gentechnologie: Bakterienkultur und Sequenzleiter

Als Gentechnik bezeichnet man jene Methoden und Verfahren der Biotechnologie, welche auf den Kenntnissen der Molekularbiologie und Genetik aufbauen und gezielte Eingriffe in das Erbgut und/oder in die biochemischen Steuerungsvorgänge von Lebewesen bzw. viraler Genome ermöglichen und als deren Produkt gentechnisch veränderte Organismen (GVO) entstehen.

Obwohl es kaum Unterschiede zwischen den eigentliche Methoden gibt, wird allgemein und oftmals falsch folgendermaßen nach Anwendungsbereich differenziert:

• Grüne Gentechnik bzw. Agrogentechnik - Anwendung bei Pflanzen
• Rote Gentechnik - Anwendung bei Tieren, in der Medizin und Pharmazeutik
• Weiße/Graue Gentechnik - Anwendung bei Industrieprozessen, grau speziell in der Abfallwirtschaft

Die Begriffe Grüne, Rote und Graue/Weiße Gentechnik sind dabei keine fest definierten Bezeichnungen. Im öffentlichen Sprachgebrauch ist auch nur die Bezeichnungen „Grüne Gentechnik” weiter verbreitet.

Insbesondere erforscht Gentechnik die Methoden zur Isolierung von Genen und zur Herstellung neukombinierter DNS, vor allem auch über Art-Grenzen hinweg. Dies ist möglich, weil (fast) alle Lebewesen denselben genetischen Code benutzen (siehe aber: codon usage). Als Ziele gentechnischer Anwendungen werden meist die Verbesserung des Saatgutes oder die einfachere Herstellung von Medikamenten genannt. In der öffentlichen Diskussion wird oft der Begriff „Gentechnologie“ verwendet. Sprachlich korrekt ist mit „Gentechnologie“ nur die Erforschung der Methoden zur Neukombination von DNS, mit „Gentechnik“ aber die Anwendung dieser Methoden in Forschung und Technik gemeint.

Der Begriff Gentechnik

Gentechnik umfasst die Isolierung, Veränderung und Neuzusammensetzung von DNS-Sequenzen. Etliche Produkte, die für den Menschen interessant sind (zum Beispiel Insulin, Vitamine), werden mit Hilfe gentechnisch veränderter Bakterien hergestellt. Für den medizinischen Bereich werden heute schon viele Medikamente gentechnisch produziert. In der Landwirtschaft werden Nutzpflanzen gentechnisch verändert. Dabei werden beispielsweise Resistenzen gegen Pestizide (z. B. Glyphosat oder Glufosinat) oder Resistenzen gegen Schädlinge eingebaut. Dieses Verfahren ist jedoch nicht ohne Risiken. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass die veränderten Gene ungewollt auf andere Wildtyp-Pflanzen derselben Art oder verwandte Arten übertragen werden. In welchem Maße und unter welchen Bedingungen dieser Gendrift bzw. horizontale Gentransfer stattfindet, wird derzeit untersucht. Bei Ansätzen zur Nutzung in großem Stil ist eine strenge Kontrolle notwendig. Es gibt erste Ansätze, Pflanzen mit verbesserten Ölen oder erhöhten Vitaminkonzentrationen mit Hilfe der Gentechnik herzustellen.

Auch in der Medizin hat die Gentechnik Bedeutung erlangt. Die Zahl der gentechnisch hergestellten Medikamente auf dem Markt nimmt stetig zu. Derzeit sind in Deutschland 134 Arzneimittel mit 98 verschiedenen gentechnisch erzeugten Wirkstoffen zugelassen. Sie wurden bei zahlreichen Krankheiten eingesetzt, wie Zuckerkrankheit, Blutarmut, Herzinfarkt, Wachstumsstörungen bei Kindern, verschiedenen Krebsarten und der Bluterkrankheit. Weltweit befinden sich über 350 Gentech-Substanzen in klinischen Prüfungen mit Patienten.

In der Krebstherapie sind diese Medikamente heute weitgehend etabliert. Nach Meinung einiger Krebsexperten könnten durch den Einsatz monoklonaler Antikörper, Interferone und blutbildender Wachstumsfaktoren die Krebstherapien bei bestimmten Tumorarten verbessert, Krankenhausaufenthalte verkürzt oder gar vermieden sowie Lebensqualität gewonnen werden. Auch das Infektionsrisiko sei nachweislich gesunken.

Insulin ist das bekannteste Hormon, das mit Hilfe der Gentechnik gewonnen wurde. Das früher produzierte Insulin stammte von Rindern und Schweinen und war nicht hundertprozentig baugleich mit dem des Menschen. Mittels Gentechnik wurde es nun ersetzt und löste u.a. die Probleme von Diabetikern mit einer Unverträglichkeit gegenüber Tierinsulin.

Geschichte

Bereits vor 8000 Jahren wurden im heutigen Mexiko natürlich vorkommende Mutationen von Teosinte-Getreide so miteinander kombiniert, dass an deren Ende heutige Maissorten entstanden. Dabei wurde nicht nur der Ertrag erhöht, sondern auch eine Pilzresistenz entwickelt. Schon bevor es möglich wurde, auf molekularer Ebene das Genom eines Organismus gezielt zu manipulieren, wurden Keime stark ionisierender Strahlung, Wärme oder anderen genverändernden Einflüssen (Mutagenen) ausgesetzt, um Mutationen im Erbgut häufiger als unter natürlichen Bedingungen hervorzurufen. Die Samen werden ausgesät und die Pflanzen, die die gewünschten Eigenschaften besaßen, werden weiter gezüchtet. Ob dabei auch noch andere, unerwünschte, Eigenschaften entstanden, wurde nicht systematisch überprüft. Diese Technik wurde bei fast allen Nutzpflanzen und, in entsprechenden Verfahren, auch bei einigen Tierarten angewendet. Im Unterschied zur Gentechnik im engeren Sinn werden dabei jedoch keine artfremden Gene ins Erbgut eingebracht.

Im Jahr 1972 gelang es den Forschern James Watson und Francis Crick, einen DNS-Faden mit Hilfe von Restriktionsenzymen in einzelne Teile zu zerlegen. Im folgenden Jahr erzeugten Stanley Norman Cohen, Annie Chang und Herbert W. Boyer das erste genetisch veränderte rekombinante Bakterium, indem sie ein Plasmid mit vereinter viraler und bakterieller DNS in das Darmbakterium Escherichia coli einschleusten. Angesichts dieser Fortschritte fand im Februar 1975 die Asilomar-Konferenz in Asilomar, Kalifornien, statt. Auf der Konferenz diskutierten 140 Molekularbiologen aus 16 Ländern Sicherheitsauflagen, unter denen die Forschung weiter stattfinden sollte. Die Ergebnisse waren Grundlage für staatliche Regelungen in den Vereinigten Staaten und später in vielen anderen Staaten. 1977 gelang erstmals die Klonierung eines menschlichen Gens und die gentechnische Herstellung eines menschlichen Proteins in einem Bakterium. Im selben Jahr entwickelten Walter Gilbert, Allan Maxam und Frederick Sanger eine Methode zur effizienten DNS-Sequenzierung, für die sie 1980 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. Ende der 1970er Jahre entdeckten die Belgier Marc Van Montagu und Jeff Schell die Möglichkeit, mittels Agrobacterium tumefaciens Gene in Pflanzen einzuschleusen. Damit legten sie den Grundstein für Grüne Gentechnik.

1980 beantragte Ananda Chakrabarty das erste Patent auf einen GVO, dessen Zulassungsverfahren bis vor den Supreme Court getragen wurde. Dieser entschied 1981, dass der Fakt, dass Mikro-Organismen lebendig sind, keine gesetzliche Bedeutung für den Zweck des Patent-Rechtes habe und machte damit den Weg für die Patentierung von Lebewesen in den USA frei. Ebenfalls 1981 fanden erste, erfolgreiche Klonversuche mittels Embryonenteilung bei Kuh und Maus statt. Ein Jahr später kam mit Insulin das erste gentechnisch hergestellte Medikament in den Vereinigten Staaten auf den Markt. 1983 wurde mit dem Bakteriophagen Lambda das erste Virus in seiner vollständigen DNS-Sequenz veröffentlicht. Außerdem wurde für Chorea Huntington als erste Erbkrankheit ein Gentest entwickelt. 1984 entwickelte der Brite Alec Jeffreys den genetischen Fingerabdruck, außerdem wurde die erste Schiege geboren. Im folgenden Jahr entwickelte Kary Mullis die Polymerase-Kettenreaktion, mit der DNS-Sequenzen kloniert werden können und erhielt dafür 1993 den Chemie-Nobelpreis. 1985 werden genetisch manipulierte Pflanzen in den USA patentierbar und es erfolgte die erste Freisetzung genetisch manipulierter Bakterien (ice minus bacteria). 1988 wurde das erste Patent für ein gentechnisch verändertes Säugetier, die Krebsmaus, vergeben.

Im Herbst 1990 wurde mit dem Humangenomprojekt ein Versuch gestartet, das gesamte Genom des Menschen zu entschlüsseln. Im September des selben Jahres wurde die weltweit erste Gentherapie an einem Menschen durchgeführt. Ebenfalls 1990 kamen die ersten, mit Präimplantationsdiagnostik untersuchten Kinder zur Welt. Im Jahr 1994 kamen im Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten Flavr-Savr, gentechnisch veränderte Tomaten, auf den Markt. Große Öffentlichkeitswirkung erreichte das von Ian Wilmut geklonte Schaf Dolly im Jahr 1997. Es war das erste geklonte erwachsene Säugetier.

Im Jahr 2000 wird die Charta der Grundrechte der Europäischen Union proklamiert, deren Artikel 3 das reproduktive Klonen von Menschen verbietet. Die Firma Celera entschlüsselte parallel zum Humangenomprojekt das menschliche Genom vollständig. Ein Jahr später wird der erste in seiner Keimbahn gentechnisch veränderte Primat geboren.

Techniken nach Anwendungsbereich

Grüne Gentechnik (Agrogentechnik)

Hauptartikel: Grüne Gentechnik, Grüne Biotechnologie

Da die Funktion der überwiegenden Gene in Pflanzen unbekannt ist, muss man, um sie zu erkennen, die Steuerung des Gens modifizieren. Dabei werden Effekte von Genen normalerweise durch einen Vergleich dreier Pflanzenpopulationen aufzuklären versucht (Wildtyp, Überexpressoren und „Knock out”-Population). Hierfür gibt es verschiedene Techniken, wie etwa RNAi. Allen Techniken ist gemein, dass sie doppelsträngige RNA produzieren, die der Pflanze den „Befehl“ gibt, „normale” Ribonukleinsäure des zu untersuchenden Gens abzubauen.

Außerdem gehören auch deskriptive Techniken zur Standardausrüstung der gentechnischen Pflanzenforschung. Dabei werden Gene kloniert, dann bestimmt man die Häufigkeiten von Transkripten (Bauanleitungen für Proteine) oder mittels so genannter DNS-Chips gleich die meisten Gene einer Pflanze in ihrer Ablesehäufigkeit.

Der Agrobakterium-vermittelte Gentransfer ist ebenfalls eine wichtige Technik. Bei dieser gentechnischen Methode werden einzelne Erbfaktoren von Zellen eines Organismus in Zellen eines anderen Lebewesens übertragen. Sie wurde unter anderem von Jozef Schell am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln entwickelt.

Die somatische Hybridisierung wiederum erlaubt es, gewünschte Merkmale verschiedener Elternpflanzen zu kombinieren. Im Vergleich zum Agrobakterium-vermittelten Gentransfer müssen hierbei keine spezifischen Gene identifiziert und isoliert werden. Außerdem wird damit die Einschränkung der Transformation (Gentransfer) überwunden, nur wenige Gene in einen vorgegebenes Erbgut einzuführen zu können. Auch kann bei der Zellfusion die Chromosomenzahl der Zellen multipliziert werden, also die Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) erhöht werden. Dies kann die Ertragsfähigkeit von Pflanzen steigern (Heterosiseffekt). Molekulare Marker oder biochemische Analysen werden genutzt, um aus der somatischen Hybridisierung hervorgegangene Pflanzen zu charakterisieren und zu selektieren.

Rote Gentechnik

Hauptartikel: Rote Biotechnologie

Eine gentechnische Methode der roten Biotechnologie ist die Gentherapie. Hier wird davon ausgegangen, dass Krankheiten durch defekte Gene verursacht werden, welche man versucht zu ersetzen. Bei Ansätzen der in vitro Gentherapie werden dem Patienten Zellen entnommen, gentechnisch verändert und dann dem Patienten wieder zugeführt. Bei Ansätzen der in vivo Gentherapie wird der Patient direkt mit der Korrektur-DNS in einem Vektor (z.B. Retroviren) behandelt, die die DNS mit dem Genom der Zielzellen in Kontakt bringen soll.

Biotechnologische Medikamente werden durch transgene Organismen (Mikroorganismen, Nutztiere oder Pharmapflanzen) hergestellt. Dabei wird iterativ so lange verändert bis ein Wirkstoff entsteht, der die Krankheit heilen kann.

Weiße Gentechnik

Hauptartikel: Weiße Biotechnologie

Durch gelenkte Evolution (Molecular Farming) werden hier Stämme von mutierten Mikroorganismen erzeugt und aufgrund ihrer Erträge der gewünschten Produkte, welche durch ein Screening festgestellt wurden, selektiert. Dieser Vorgang wird in iterativen Zyklen wiederholt, bis die angestrebten Veränderungen erreicht sind. Zur Identifizierung von nicht kultivierbaren Organismen untersucht man Metagenome, d. h. die Gesamtheit der Genome eines Lebensraums, Biotops oder einer Lebensgemeinschaft (Biozönose). In Metagenomen können beispielsweise Biokatalysatoren aufgefunden werden, die bisher noch nicht bekannte biochemische Reaktionen katalysieren und neue, interessante Stoffwechselprodukte bilden.

Zum Einschleusen von Plasmid-DNS in die Bakterie wird u. a. die Eigenschaft von Calciumchlorid genutzt, Zellmembranen durchlässig zu machen.

Rechtliche Situation

Kennzeichnungspflicht für genetisch veränderte Produkte in der EU

Seit dem 18. April 2004 besteht innerhalb der EU eine Kennzeichnungspflicht für gentechnisch veränderte Produkte. Sie schließt ein, dass alle Produkte, die eine genetische Veränderung besitzen, gekennzeichnet werden müssen, auch dann, wenn die Veränderung im Endprodukt nicht mehr nachweisbar ist. Ausgenommen von der Kennzeichnungspflicht sind Fleisch, Eier, Milchprodukte von Tieren, die mit gentechnisch veränderten Pflanzen gefüttert wurden sowie Produktzusätze, die mithilfe genetisch veränderter Bakterien hergestellt wurden. Ebenso Enzyme, Zusatzstoffe und Aromen, da sie im rechtlichen Sinne nicht als Lebensmittel gelten.

Kritiker von gentechnisch veränderten Lebensmitteln verweisen in diesem Zusammenhang darauf, dass derzeit (Stand: 2005) etwa 80 Prozent der angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen in die Futtermittelindustrie einfließen. Sie fordern deshalb die Kennzeichnungspflicht auch für diese tierischen Produkte.

Eine Kennzeichnung muss weiterhin nicht erfolgen, wenn die Verunreinigung mit genetisch verändertem Material unter 0,9 % (Stand: 2008) Gewichtsprozent liegt und zufällig oder technisch unvermeidbar ist. Dabei ist jede Einzelzutat eines Lebens- oder Futtermittels getrennt zu betrachten. 2007 wurde eine neue EU-Öko-Verordnung verabschiedet, die ab 2009 Gültigkeit erlangt. Mit ihr wird die Möglichkeit geschaffen, dass Zusatzstoffe für Lebens- oder Futtermittel, die A) grundsätzlich im Ökolandbau zugelassen sind und B) nachweislich nicht in GVO-freier Qualität verfügbar sind, auch dann eingesetzt werden dürfen, wenn sie durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen hergestellt wurden. Die Interpretation der neuen Regel steht noch aus. Derzeit ist nach der neuen Regel kein Stoff zugelassen.

Situation in Deutschland

Gesetzlich werden Haftung, Strafvorschriften und Definitionen in Bezug auf die Gentechnik durch das 1990 erlassene deutsche Gentechnikgesetz geregelt. Den genauen Umgang mit gentechnisch veränderten Organismen, regelt die Gentechnik-Sicherheitsverordnung.

Die Möglichkeit der Kennzeichnung „ohne Gentechnik“ wird derzeit durch die „Neuartige-Lebensmittel-Verordnung“ geregelt. Die Große Koalition novelliert die Regelung im ersten Quartal 2008. Sie wird künftig nicht mehr in einer Verordnung sondern im EG-Gentechnik-Durchführungsgesetz festgeschrieben. Kern der Novelle sind Vereinfachungen bei der Auslobung von Fleisch, Milch und Eiern, die mit Futtermitteln erzeugt wurden, die nicht unter die EU-Kennzeichnungsregeln fallen. Damit wird eine Kennzeichnungslücke, die aufgrund der EU-Kennzeichnungsregeln besteht, geschlossen.

Während SPD, Bundeslandwirtschaftsminister Seehofer, Verbraucherzentrale Bundesverband und etliche gentechnikkritische Verbände die neuen Regeln begrüßen, sprechen sich Unionsfraktion, Futtermittelverband, Bauernverband, Raiffeisen und andere dagegen aus. Sie kritisieren an der neuen Regel, dass nicht jegliche Berührung der Produkte mit GVO zum Verlust der Kennzeichnung führen.

Eine juristische Leerstelle besteht weiterhin in Bezug auf die Beeinflussung anderer Lebensmittel, mit schwerwiegenden Folgen. So verfügte das Augsburger Verwaltungsgericht am 4. Mai 2007, dass der Freistaat Bayern die Pollen einer auf einem seiner Versuchsfelder angebauten Bt-Maissorte MON 810 unschädlich zu machen habe, da sonst der Honig eines benachbarten Imkers verkehrs- und genußuntauglich und damit unverkäuflich geworden wäre. Als Folge des Widerspruchs, durch den Freistaat Bayern, entschied das Gericht jedoch, dass mobile potentielle Geschädigte (Bienen/Imker) dem immobilen Risikoverursacher (Maisfeld) auszuweichen haben. Jener Mais ist zwar von der Bundesregierung als unbedenklich eingestuft, jedoch vom Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit für umweltgefährlich erklärt und darf deshalb nur unter Auflagen und nur für Tierfutter in Deutschland angebaut werden.

Andere Länder

In Österreich wurde im April 1997 das Gentechnik-Volksbegehren angenommen. Das bisher (April 2007) zweiterfolgreichste Volksbegehren der Zweiten Republik mit einer Beteiligung von über 21 % der Wahlberechtigten fordert ein gesetzlich verankertes Verbot der Produktion, des Imports und des Verkaufs gentechnisch veränderter Lebensmittel, ein ebensolches Verbot der Freisetzungen genetisch veränderter Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen, sowie ein Verbot der Patentierung von Lebewesen. Der Verkauf von Saatgut mit einem Anteil von mehr als 0,1 % genmanipulierter Organismen ist seit Januar 2002 verboten. EU-Bestrebungen, höhere Toleranzwerte durchzusetzen, sind bisher gescheitert.

Die Schweizer stimmten mit der Volksinitiative vom 27. November 2005 mehrheitlich für ein Moratorium zur Nutzung von Gentechnik in der Landwirtschaft. Für vorerst fünf Jahre ist damit der Anbau von Pflanzen oder die Haltung von Tieren verboten, die gentechnisch verändert wurden.

In Großbritannien dürfen seit 2007 zu Forschungszwecken Embryonen mit Erbgut aus einer Kombination von menschlichen und tierischen Genen gezüchtet werden.

In den USA gilt als Folge der dort angewandten Regelung der substanziellen Äquivalenz und daraus resultierenden Einstufung von GVOs als GRAS (generally recognized as save, dt: anerkanntermaßen sicher) ein Kennzeichnungsverbot, sowohl für gentechnisch veränderte als auch Gentechnik-freie Lebensmittel.

Weiterführende Literatur

Bücher

• Monika Jansohn (Hrsg.): Gentechnische Methoden – Eine Sammlung von Arbeitsanleitungen für das molekularbiologische Labor. 640 Seiten. Spektrum Akademischer Verlag 2007. 4. Aufl. ISBN 978-3-8274-1537-0
• Cornel Mülhard, Der Experimentator: Molekularbiologie/Genomics. 4. Aufl. Elsevier/Spektrum, 2003, ISBN 3-8274-1460-1
• Thilo Spahl, Thomas Deichmann: Das populäre Lexikon der Gentechnik. Eichborn, Frankfurt/Main 2001, ISBN 3-8218-1697-X
• T.A. Brown: Gentechnologie für Einsteiger. 3. Auflage. Spektrum, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-1302-8
• Hucho, F., Brockhoff, K., van den Daele, W., Köchy, K., Reich, J., Rheinberger, H.-J., Müller-Röber, B., Sperling, K., Wobus, A.M., Boysen, M., Kölsch, M.: Gentechnologiebericht. Analyse einer Hochtechnologie in Deutschland. München, 2005. ISBN 3-8274-1675-2

Aufsätze

• Uwe-Jürgen Ness: Gentechnische Methoden und Risiken in der Pharmakaerzeugung und -verwendung. In: Volker Haas [Hrsg.]: Gentechnik-Kritik am Scheideweg? Ist eine Teilakzeptanz der Gentechnik für Forschung, Medizin und Enzymproduktion notwendig? München 1997.

Siehe auch

• Wikinews-Themenportal mit Nachrichten aus Genetik und Gentechnik

Weblinks

• Telepolis Bio-Technik – tagesaktuelle Nachrichten aus der Wissenschaftsredaktion
• www.umweltinstitut.org – Gentechnik-Seiten des Umweltinstituts München
• Gen-ethisches Netzwerk e. V. – Kritischer Informationsdienst und Zeitschrift zur Gentechnologie
• Geopolitik und Gentechnik – von F. William Engdahl
• ETC Group: Biotechnology – Kritische wissenschaftliche Veröffentlichungen (engl./span.)
• Gentechnik in der EU-Politik – EU-Koordination des Deutschen Naturschutzrings
• Mailinglisten und News-Seiten zum Thema Gentechnik – Zusammenstellung von JANUN e. V. Hannover