Gentechnik bei Pflanzen, Transgene Organismen, Probleme

1.6Gentechnologie II
Gentechnik bei Pflanzen, Transgene Organismen, Probleme
Gentechnik bei Pflanzen

M009aa6fPflanzen lassen sich relativ leicht klonen, da sie die natürliche
Fähigkeit der Regeneration aus fast allen Geweben besitzen.Dagegen sind die Gentechniker auf relativ wenige Vektoren angewiesen
im Unterschied zu Tierzellen, wo man auf einen große Palette
von Plasmiden zurückgreifen kann.

Der häufigste Vektor ist das Ti”
Plasmid
oder Tumorinduzierende Plasmid. Man findet es in
Agrobacterium tumefaciens, einem Gram (-) Bodenbakterium
(siehe links unten).

Das Bakterium besitzt die Fähigkeit Pflanzen zu infizieren
und eine Wurzelhalsgalle (=Tumor)
zu erzeugen.

agrobactDie Ursache des Tumors ist das Vorhandensein des Ti-Plasmids,
einem großen doppelsträngigen DNA-Ring.Bei der Infektion einer Pflanze durch das Bakterium verläßt
ein Stück DNA (= T-DNA)
mit 30,000 Basenpaaren das Plasmid und integriert sich in die DNA
der pflanzlichen Wirtszelle.

Genau wegen dieser Eigenschaft ist das TI-Plasmid als Vektor
geeignet.


Agroba1


Wurzelhalsgalle (Tumor)
pabb15
Der Gentransfer mit Hilfe des Ti Plasmids erfordert 2 Schritte:

  • Die Tumorgene der T- DNA müssen inaktiviert werden
  • Fremdgene müssen an dieselbe Stelle des Ti-Plasmids integriert
    werden. Das rekombinante Plasmid mit dem integrierten Gen muß
    dann wieder in die A. tumefaciens Zelle transferiert werden.
    Die Bakterienzelle muß nun in das Protoplasma der Pflanzenzelle
    gebracht werden.

Dort integriert sich die T- DNA mit dem fremden Gen in
das Pflanzenzellgenom. Aus dieser Zelle wird eine komplette Pflanze
gezogen, deren Zellen alle das fremde Gen enthalten. Dieses vererben
sie auch.

Natürlicherweise infiziert A. tumefaciens nur Dikotyle,
also ca. 170,000 verschiedene Arten wie Rosen, Äpfel, Sojabohnen,
Kartoffeln, Birnen und Tabak. Unglücklicherweise sind aber
viele Kulturpflanzen monokotyl, wie Mais, Reis, Weizen, usw.

Deshalb erfanden die Wissenschaftler andere Methoden, um Gene
in Pflanzenzellen zu befördern.

Dazu gehören die Mikroinjektion, die Elektroporation
und Partikel Bombardement.

kap43ab8Bei der Mikroinjektion wird die DNA mit einer Mikropipette
injiziert. Im Fall der Elektroporation werden kurze und hohe
Spannungsimpulse benutzt, um Membranporen zu erzeugen und so die
DNA in die Zelle zu befördern.Beim Partikel Bombardement werden winzige DNA-beschichtete
Goldpartikel durch die Pflanzenzellwände gebracht. (siehe links)

Transgene Pflanzen

Bis heute wurden viele transgene Pflanzen, die Herbizide tolerieren,
gegen Insekten- und Virusbefall resistent sind oder modifizierte Früchte
oder Blüten produzieren kultiviert und getestet. Dazu gehören
Mais, der ein Insektenprotein produziert oder Tomaten, die länger
reifen usw. Einige aktuelle Beispiele sollen hier kurz besprochen werden.

pabb20Anti-Matsch-Tomate (Flavr SavrTM
Tomaten 1994
)
Hier zerstört das Enzym Polygalacturonase (PG) die formstabilisierenden
Zellwände bei der Reifung. Man integrierte ein Anti-PG-Gen,
was eine komplementäre Anti- mRNA produzierte. Dies führt
zum enzymatischen Abbau der mRNA. So wurde weniger PG gebildet und
die Tomate blieb länger fest.

Bt-Mais (Genmais)

schad26Wissenschaftler der Fa. Novartis veränderten Maispflanzen
gentechnologisch so, daß sie im Gegensatz zu herkömmlichen
Maispflanzen ein zusätzliches Gen aus dem Bodenbakterium Bacillus
thuringiensis
enthalten. Dieses Gen produziert das Bt-Eiweiß,
das auf bestimmte Schmetterlingslarven wie den unscheinbaren
Maiszünsler (Pyrausta nubilalis) wirkt. Diese
Insekten besitzen auf der Oberfläche ihres Verdauungstraktes
spezielle Bindungsstellen für das Bt-Eiweiß. Das dort
gebundene Bt-Eiweiß zerstört Darmzellen, die für
die Nährstoffaufnahme wichtig sind, und führt so zum Tod
der Insekten. Für andere Lebewesen ist das Bt-Eiweiß
harmlos und wird wie die übrigen Eiweiße der Nahrung
in Magen und Darm abgebaut.Damit ist der Bt-Mais gegen den Maiszünsler, einen seiner
gefährlichsten Schädlinge, der für Ernteausfälle
bis 40% verantwortlich ist, geschützt. Links sind Schmetterling
und die für Mais gefährliche Larve zu sehen, die sich
durch die Stengel frißt, sodaß Stengel umknicken und
Fraßschäden an Kolben und Körnern entstehen.
Landwirte spritzen Bt-Eiweiß bereits seit über
40 Jahren als biologisches Insektizid zum Schutz der Pflanzen
gegen Schädlinge wie die Raupe des Kohlweißlings oder
die Larven des Kartoffelkäfers. Das Toxin ist für die
meisten anderen Insekten und alle anderen höheren Organismen
ungiftig.

Allerdings wirkt der Bt-Mais nicht selektiv auf Schädlinge, wie
vom Hersteller behauptet sondern vernichtet, auch Nützlinge wie beispielsweise
die grüne Florfliege. Diese können sterben, wenn sie die Maiszünslerlarven
fressen wie man in der Eidgenössische
Forschungsanstalt für Agrarökologie und Landbau
1999 festgestellt
hat.

Tests auf Maisfeldern mit Bt – Spritzmitteln zeigten bisher keine
negativen Folgen für Nützlinge. Das lag daran, daß sich
das Bt-Gift vom Spritzmittel auf der Pflanze befindet. Die hungrige Maiszünslerlarve
aber bohrt sich in die Pflanze hinein und nimmt so das manipulierte Erbgut
auf. Wer jetzt diese Larve frißt, kann sterben – Schädlinge,
ebenso wie Nützlinge. mdh11

Neben dem Bt-Gen enthält der Mais noch zwei sogenannte Markergene.
Markergene produzieren bestimmte Eiweißstoffe, die sich leicht nachweisen
lassen. Sie kennzeichnen damit den Organismus und dienen nach dem Prozeß
der Genübertragung dazu, Zellbausteine und Pflanzen, in die das Bt-Gen
erfolgreich übertragen wurde, zu erkennen.
Beide Markergene stammen aus natürlichen Bodenbakterien und verleihen
ihren Trägern eine Resistenz gegen das Antibiotikum Ampicillin
(bla-Gen->TEM1 beta-Lactamase) sowie eine Toleranz gegen ein Unkrautbekämpfungsmittel.

Die
Pflanzen mit dem integrierten Biotoxin gegen Schädlinge sind ins
Visier der Kritiker geraten. Manche Staaten (Österreich, Luxemburg)
lehnen im Alleingang den Anbau von Bt-Mais auf ihren Feldern ab.
Frankreich hat die Zulassung neuer Sorten verhindert. Sie befürchten
Folgen für Mensch und Umwelt, etwa, daß sogenannte Antibiotika-Resistenzgene
von den Pflanzen auf mikrobielle Krankheitserreger übertragen werden
und damit die Wirkung von therapeutisch eingesetzten Antibiotika nachlassen
könnte. Die Wahrscheinlichkeit wird zwar als sehr gering eingeschätzt,
trotzdem empfehlen Gesundheitsexperten, die Antibiotika-Resistenzgene
nicht einzusetzen, “aus grundsätzlichen Erwägungen”,
wie das Robert-Koch-Institut meint. Käme es zum Gentransfer,
wären die Folgen nicht so gravierend: bereits heute sind etwa die
Hälfte der menschlichen Darmflora vom Typ E. coli resistent gegen
das Antibiotikum Ampicillin, meint Alfred Pühler, Mikrobiologe
an der Universität Bielefeld und Mitglied der Zentralen Kommission
für Biologische Sicherheit am RKI. In modernen Genkonstruktionen
des Bt-Mais sind die umstrittenen Gene bereits nicht mehr vorhanden, etwa
bei Bt11 von Novartis.

Transgene Sojapflanzen (Glycine max.)

sojaSoja gehört zur Familie der Leguminosen,
die mit Hilfe von Knöllchenbakterien den Stickstoff aus der Luft
erschließen können und daher in der Regel keinen Kunstdünger
benötigen. Soja gehört zu den eiweißreichsten Pflanzen.
Zur Zeit sind in den USA zwei gentechnisch veränderte, herbizidtolerante
Sojabohnen zugelassen: eine gegen das Herbizid Liberty von
AgrEvo und eine gegen das Herbizid Roundup von Monsanto.http://www.gensuisse.ch./agro/soja.html#toc5

Transgene Zuckerrüben
In Deutschland sind heute ca. 5 % der Zuckerrüben-Anbaufläche
mit einem Virus infiziert, der die sogenannte Wurzelbärtigkeit
(Rizomania) hervorruft. Bei starkem Befall drohen regional Ertragseinbußen
von bis zu 50%. Die chemische Bekämpfung des Bodenpilzes, der die
Viren überträgt, ist nicht möglich.

Im Labor wurde ein Gen, das die Bauanleitung für ein Eiweiß
der Virushülle trägt, stabil in das Erbmaterial der Zuckerrübe
integriert.

Ein weiterer großer Teil der in Deutschland freigesetzten gentechnisch
optimierten Zuckerrüben trägt eine Herbizidresistenz,
welche die beim Zuckerrübenanbau schwierige Unkrautkontrolle verbessern
soll.

Transgene Kartoffeln
Neben der Kraut- und Knollenfäule verursachen drei verschiedene
Kartoffelviren große wirtschaftliche Schäden im Kartoffelanbau.
Man forscht derzeit mit virus-, pilz- oder bakterienresistente Kartoffeln.

Auch an anderen wichtigen Kulturpflanzen wie Raps und Reis wird gearbeitet.

Weitere gentechnische Anwendungen werden hier kurz besprochen:

DNA-Tests (genetischen Fingerabdruck)

854795Der genetische Fingerabdruck, RFLPs, oder “Slot Blots”
sind alles Varianten einer neuen Technik, die sich (1985 in England
entwickelt) zunutze macht, daß die DNA aller Menschen außer
eineiigen Zwillingen unterschiedlich ist.Dabei wird die DNA als Merkmal der Person herangezogen. (siehe
hier
)

Links ist die Vorgehensweise für einen genetischen
Fingerabdruck
zusammengestellt.


853071

Gentechnische Produkte

Die Anzahl genetisch manipulierter Produkte steigt schnell. Die Gentechnik
wird in der Arzneimittelproduktion, Gentherapie und bei der Entwicklung
transgener Pflanzen und Tiere angewandt.

Neben Humaninsulin für Diabetiker,
Plasminogen Aktivatoren für Patienten
mit Herzanfällen oder Erythropoitin
für Dialysepatienten werden Wachstumshormone
von Rindern und Schweinen (Somatostatin) von transgenen Bakterien produziert.
Auch monoklonale Antikörper, Interferone, Enzyme,
Blutgerinnungsfaktoren, Impfstoffe
kommen zur Anwendung.

Gen-Therapie

Die Gentherapie ist eine relativ neue Behandlungsmethode. Man ersetzt
dabei Gene, die fehlen oder nicht richtig funktionieren durch intakte
Exemplare. Die erste erfolgreiche Gentherapie erfolgte 1990, um eine Immunkrankkeit
namens ADA bei Kindern zu behandeln. Dazu wurden Blutzellen mit normalen
ADA-Genen in den Körper der Patienten injiziert, wo sie genügend
normale Zellen produzierten, um ihre Immunantwort zu verbessern.

 

Klonierung von Tieren

Zum Prozess der Klonierung von Rindern gibt es mdh11
. Klonierung von Schafen.

Einige Begriffe der Gentechnik

Hybridisierung

In der Gentechnik die Bildung von DNA-,DNA-RNA- oder RNA-RNA-Doppelsträngen,
beruhend auf der Komplementarität der Basen von Nukleinsäuremolekülen.
Je besser die Sequenzen der beiden Stränge zueinander passen,
um so mehr Basenpaarungen entstehen und um so stabiler ist der entstehende
Hybrid-Doppelstrang.

Rekombinant

Generelle Bezeichnung für DNA-Moleküle, die durch Neuverknüpfung
im Reagenzglas entstanden sind.

Gensonde

Eine für ein Gen spezifische, einzelsträngige DNA-Suchsequenz
mit einer Markierung (z.B. Fluoreszenzfarbstoff), die das Auffinden
dieses Gens ermöglicht. Gensonden können sehr unterschiedliche
Längen aufweisen, wichtig ist die Komplementarität der
Basen bei der Hybridisierung mit der Zielsequenz.

Transgen

Ein Organismus, bei dem Fremdgene stabil in das Genom integriert
sind. Die Fremd-Gene werden an die Tochergenerationen weitergegeben
(Vermehrung durch Teilung) und werden auch bei sexueller Fortpflanzung,
den Mendelschen Regeln entsprechend vererbt.

Indirekte und direkte Genübertragung

Die Genübertragung mittels Agrobacterium tumefaciens wird
als indirekter Gentransfer bezeichnet, da hier in einem Zweischrittesystem
zunächst die Fremd-DNA in ein Plasmid eingesetzt wird, und
die Bakterien mit dem rekombinanten Plasmid transformiert werden.
Erst dann wird das Gen durch die Bakterieninfektion in die Pflanze
eingebracht. Bei der Elektroporation, der Mikroinjektion oder der
Partikelbeschußtechnik erfolgt die Genübertragung direkt,
ohne Zwischenschritt.

Reportergene

Bezeichnung für Gene, deren Produkte sich mit einfachen Methoden
nachweisen lassen. Sie werden zusammen mit einem einzubringenden
Fremdgen übertragen, damit die Aktivität des Fremdgens
überprüft werden kann.

 

Virusresistente Pflanzen

Verschiedene gentechnische Strategien werden zur Erzeugung von virusresistenten Pflanzen angewendet, 1986 gelang es erstmals bei einer Tabakpflanze, auf gentechnischem Weg eine Virusresistenz (gegen das Tabak-Mosaik-Virus) zu züchten. Dabei wurde die Präimmunität der Pflanzen ausgenützt.

Die “Präimmunität” wurde 1929 erstmals bei Tabakpflanzen
beobachtet: Tabakpflanzen, die mit einem nur schwach virulenten (krankheitserregenden)
Stamm des Tabak-Mosaik-Virus infiziert worden waren, zeigten bei einer
nachfolgenden Infektion mit einem stärkeren Stamm des Virus Resistenz
; ganz ähnlich, wie bei einer Schutzimpfung beim Menschen. Die als
Präimmunisierung (Infektionsimmunität)
bezeichnete Technik wird seitdem im präventiven Pflanzenschutz eingesetzt.
Seit Beginn der 90er Jahre züchtete man mit Hilfe der Gentechnik
virusresistente Zuckerrüben, Tabak, Kartoffeln und Tomaten.

Ursache für das Präimmunisierungs-Phänomen sind in den
Pflanzenzellen vorhandene Hüllproteine der Viren. Das hat
man bei der Züchtung der virusresistenten Zuckerrübe und bei
Tabak, Kartoffel und Tomate beim Einsatz der gentechnischen Methoden ausgenutzt.

Dazu muß zunächst die Erbinformation für das Hüllprotein des entsprechenden Virus vermehrt werden. Besteht die Erbinformation des Virus aus RNA, wird im ersten Schritt die isolierte virale Hüllprotein-RNA mit dem Enzym Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben und dann durch Klonierung vermehrt, um genügend Ausgangsmaterial zu erhalten. Die Hüllprotein-DNA wird dann mit einem geeigneten pflanzlichen Promotor in das Ti-Plasmid des Agrobacterium tumefaciens eingebaut und mittels des Agrobakterien-Systems auf die Pflanze (Protoplasten) übertragen. Die herangezogenen Pflanzen produzieren in allen Zellen Hüllproteine des Virus und sind damit resistent gegen eine Infektion. Der molekulare Mechanismus der Resistenz ist noch nicht genau aufgeklärt.

Herbizid Resistenz

Ein weiteres Beispiel ist die gentechnisch erzeugte Herbizid-Resistenz bei Tomaten gegen das Herbizid BASTA. Der Wirkstoff von BASTA ist Phosphinotricin, der das Enzym Glutamin-Synthetase hemmt. Mit Hilfe von Agrobacterium tumefaciens schleuste man ein bakterielles Gen für ein Phosphinotricin deaktivierendes Enzym in die Tomatenpflanze ein. So konnte nun das Herbizid versprüht werden, ohne die Tomatenpflanzen zu schädigen. jedoch der unerwartete Nachteil war, daß nun die Tomaten einen schlechten Geschmack hatten.

Insekten Resistenz

Das Bt Toxin  ist ein hochspezifisches Gift aus Bacillus thuringiensis gegen die Larven von Motten und Schmetterlingen. Leider wird es nach dem Besprühen der Pflanzen schnell durch Regen abgewaschen. Wissenschaftler isolierten das Gen und beförderten es über Agrobacterium tumefaciens in das Pflanzengenom.
Biolumineszenz

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bioluminiszente Tabakpflanze
852469Links ist eine bioluminiszente Tabakpflanze zu sehen. Dies scheint auf den ersten Blick ein sinnloses gentechnisches Experiment zu sein, das Gen eines Leuchtkäfers für das Enzym Luziferase in Pflanzen zu bringen.

luz1

Jedoch ist die Technik nützlich, wenn es darum geht, Bakterien zu markieren, sodaß sie in der Kultur sichtbar sind.

Stickstoff-Fixierung

Alle Pflanzen benötigen als einen Hauptnährstoff Stickstoff. Nur bestimmte Bakterien können den Luftstickstoff (78%) verwenden, da sie das Enzym Nitrogenase besitzen. Der gentechnische Transfer des notwendigen Gens in Kulturpflanzen ist die logische Konsequenz und würde die Abhängigkeit von der Bodenqualität und Düngung beenden. Leider sind 17 Gene für die N2-Fixierung in Bakterien verantwortlich und deren Funktion ziemlich komplex, sodaß die Wissenschaft bisher noch keinen Erfolg hatte.

Transgene Tiere

Zu Diagnosezwecken und zur Heilung von Krankheiten hat man transgene Tiere erzeugt. Z. B. stehen in Kürze transgene Kühe, Schafe oder Schweine zur Verfügung, in deren Milch gärende Bakterien Insulin oder Wachstumshormone produzieren. (1986: erste Produktion von transgenen Schweinen durch Übertragung eines menschlichen Wachstumshormos auf Schweine-Embryonen.)

Erzeugung transgener Mäuse: http://www.whfreeman.com/immunology/CH02/kuby02.htm

Monoklonale Antikörper

In Forschung und Medizin verwendet man heute sogenannte monoklonale Antikörper mit den unterschiedlichsten gewünschten Spezifitäten. Sie werden hauptsächlich mit Hilfe von Mäusen gewonnen.

_monocloEine Maus wird durch ein beliebiges Antigen immunisiert, um die Produktion der Antikörper dagegen anzuregen. Die Antiköper-produzierenden Zellen werden aus der Milz der Maus gewonnen. Nun werden die B-Lymphozyten der Maus mit Tumorzellen (Myelomazellen) der Maus, die in einer Gewebekultur gewachsen sind durch somatische Zellhybridisierung fusioniert. Die entstehenden Hybridzellen nennt man Hybridomas. Sie produzieren sowohl große Mengen identischer Antikörper als auch wachsen sie unbegrenzt. Durch Kultivierung entsteht einen riesige Anzahl Zellen, die diese identischen Antikörper produzieren.

Man nennt sie monoklonale Antikörper. (C. Milstein und G.
Koehler 1975)

Bevor ein solcher Antikörper beim Menschen verwendet werden, muß
mit Hilfe der DNA-Hybridisierung die Maus-spezifische konstante
Region
des Moleküls durch die entsprechende menschliche Sequenz
ersetzt werden, damit die menschliche Immunabwehr keinen Probleme bereitet.

Eine weitere Entwicklung der modernen Monoklonalen Antikörper Technologie ist die Entwicklung katalytischer Antikörper oder Abzyme. Dies verbessert das Verständnis enzymatischer Reaktionen und ist ein Schritt auf dem Weg zu synthetischen Enzymen.

Problem Gentechnologie

Die wirtschaftliche Ausnutzung gentechnischer Verfahren durch die großen Chemie- und Pharmakonzerne hat verschiedene neue, unerwünschte ökologische und medizinische Probleme verursacht.

Z.B die mit gentechnisch erzeugten Wachstumshormonen (rBGH) und Antibiotika aufgezogenen Rinder geben diese Stoffe an die Milch ab, sodaß diese und die daraus produzierten Milchprodukte Spuren dieser Stoffe enthalten. Dies führte in USA u.a. zu einer deutlichen Zunahme resistenter Bakterienstämme und Fehlentwicklungen bei Kindern durch Hormone. Auch die Integration von Antibiotika- Resistenzgenen als Markergene in Pflanzen trägt zu dieser Entwicklung bei und ist deshalb abzulehnen.

Die Auswirkungen von Insektizidgenen von transgenen Pflanzen auf Nützlinge stören die Nahrungskette.

Deshalb ist Forschungsbedarf und gesetzlicher Regelungsbedarf bei der Auswirkung von fremden Genen auf die Nahrungskette angebracht.

Weiterführende Quellen:

Gentechnikhttp://flybrain.ub.uni-freiburg.de/Skriptum/Gentechnik/Einleitung.html
http://www.bll.de/
http://www.blueplanet.de/infonach/gentech.htm
http://www.bayern.de/STMLU/gen/
http://www.biotechmobil.de/anwend6.htm
Gentechnologiehttp://biology.anu.edu.au/Groups/Plantsc/gt.htm
http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc731/topic.htm
http://hyperion.advanced.org/18258/noframes/intro.htm
Biotechnologiehttp://www.biotech.wisc.edu/Education/

http://biochemlinks.com/bclinks/bclinks.cfm

Bt-Mais (Genmais)http://www.novartis.de/novartis/html/d/genforum/mais/contents.htm
Maiszünslerhttp://agrar.bayervital.de/index.cfm?SEITEN_ID=315
Wirkung des Bt-Toxinshttp://www.worc.ac.uk/departs/envman/courses/hort/cookie/mode.htm
Transgene Pflanzenhttp://www.comm.cornell.edu/gmo/traits/traits.html
Gentechnik und Ernährunghttp://www.bba.de/gentech/genright.htm
http://www.biotechknowledge.com/
und http://www.transgen.de/
http://www.bioweb.ch/ und http://members.aol.com/genberlin/http://www.geneticdiner.com/kompendium_1c.htm

http://www.bml.de/forschungsreport/rep1-97/gentechn.html
Probleme und Risiken mit Gentechnologiehttp://www.netlink.de/gen/Zeitung/980103.htm
http://www.greenpeace.org/~comms/cbio/brief5.html
Molekuarbiologische Methodenhttp://come.to/biomedpage
http://www.msu.edu/user/delgadoi/Protocols.htmlhttp://www.hort.purdue.edu/hort/courses/HORT250/Lecture_Schedule.html
transgene Tierehttp://www.aba.asn.au/
Monoklonale Antikörperhttp://www.whfreeman.com/immunology/CH05/mabs.htm

http://atlantis.unipv.it/lect.html

Immunologiehttp://atlantis.unipv.it/index.html
Abzymehttp://www.whfreeman.com/immunology/CH05/catab.htm
Agrobacteriumhttp://www.science.richmond.edu/~biology/Bgoodner.www/Homepage/Agro.html
Gentherapiehttp://www.mc.vanderbilt.edu/gcrc/gene/index.html
Animationen zu Gentechnologiehttp://vector.cshl.org/resources/BiologyAnimationLibrary.htm

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