Was sind GMOs und wie werden sie hergestellt?

Was ist ein GMO?

GMO ist die Abkürzung für “gentechnisch veränderter Organismus”. Genetische Veränderungen gibt es seit Jahrzehnten und sind der effektivste und schnellste Weg, um eine Pflanze oder ein Tier mit einem bestimmten Merkmal oder einer bestimmten Eigenschaft zu erzeugen. Sie ermöglicht präzise, spezifische Veränderungen der DNA-Sequenz. Da die DNA im Wesentlichen den Bauplan für den gesamten Organismus umfasst, verändern Veränderungen an der DNA, was ein Organismus ist und was er tun kann. Die Techniken zur Manipulation der DNA wurden erst in den letzten 40 Jahren entwickelt.

Wie verändert man einen Organismus genetisch? Eigentlich ist das eine ziemlich weit gefasste Frage. Ein Organismus kann eine Pflanze, ein Tier, ein Pilz oder eine Bakterie sein, und all dies kann und wird seit fast 40 Jahren gentechnisch verändert. Die ersten gentechnisch veränderten Organismen waren in den frühen 1970er Jahren Bakterien. Seitdem sind gentechnisch veränderte Bakterien zum Arbeitspferd von Hunderttausenden von Labors geworden, die genetische Veränderungen an Pflanzen und Tieren vornehmen. Die meisten der grundlegenden Genmischungen und Modifikationen werden mit Hilfe von Bakterien entworfen und hergestellt, hauptsächlich eine Variation von E. coli, die dann auf die Zielorganismen übertragen wird.

Der allgemeine Ansatz zur genetischen Veränderung von Pflanzen, Tieren oder Mikroben ist konzeptionell ziemlich ähnlich. Es gibt jedoch einige Unterschiede in den spezifischen Techniken, die auf allgemeine Unterschiede zwischen pflanzlichen und tierischen Zellen zurückzuführen sind. Zum Beispiel haben pflanzliche Zellen Zellwände und tierische Zellen nicht.

Gründe für genetische Veränderungen von Pflanzen und Tieren

Gentechnisch veränderte Tiere dienen in erster Linie nur zu Forschungszwecken, wo sie oft als vorbildliche biologische Systeme für die Medikamentenentwicklung verwendet werden. Es gibt einige gentechnisch veränderte Tiere, die für andere kommerzielle Zwecke entwickelt wurden, wie fluoreszierende Fische wie Haustiere und gentechnisch veränderte Moskitos, um die krankheitsübertragenden Moskitos zu kontrollieren. Dies sind jedoch relativ begrenzte Anwendungen außerhalb der biologischen Grundlagenforschung. Bislang sind keine gentechnisch veränderten Tiere als Nahrungsquelle zugelassen.

Das könnte sich jedoch bald mit dem AquaAdvantage-Lachs ändern, der sich durch den Genehmigungsprozess schlängelt.

Bei Pflanzen ist die Situation jedoch anders. Während viele Pflanzen für die Forschung modifiziert werden, ist das Ziel der meisten pflanzengenetischen Veränderungen, einen Pflanzenstamm zu schaffen, der kommerziell oder sozial vorteilhaft ist. So können beispielsweise die Erträge gesteigert werden, wenn Pflanzen mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen einen krankheitsverursachenden Schädling wie die Rainbow Papaya oder die Fähigkeit, in einer unwirtlichen, vielleicht kälteren Region zu wachsen, entwickelt werden. Früchte, die länger reif bleiben, wie z.B. Endless Summer Tomatoes, bieten mehr Zeit für die Haltbarkeit nach der Ernte und können verwendet werden.

Auch Eigenschaften, die den Nährwert erhöhen, wie z.B. Goldener Reis, der reich an Vitamin A sein soll, oder der Nutzen der Frucht, wie z.B. nicht bräunende arktische Äpfel, wurden ebenfalls hergestellt.

Im Wesentlichen kann jedes Merkmal, das durch die Zugabe oder Hemmung eines bestimmten Gens manifest gemacht werden kann, eingeführt werden. Eigenschaften, die mehrere Gene erfordern, könnten ebenfalls verwaltet werden, aber dies erfordert einen komplizierteren Prozess, der bei kommerziellen Kulturen noch nicht erreicht wurde.

Was ist ein Gen?

Bevor man erklärt, wie neue Gene in Organismen eingebracht werden, ist es wichtig zu verstehen, was ein Gen ist. Wie viele wahrscheinlich wissen, bestehen Gene aus DNA, die teilweise aus vier Basen besteht, die gemeinhin als einfach A, T, C, G bezeichnet werden. Die lineare Ordnung dieser Basen in einer Reihe entlang eines DNA-Strangs eines Gens kann als Code für ein bestimmtes Protein betrachtet werden, ebenso wie Buchstaben in einer Zeile mit Textcode für einen Satz.

Proteine sind große biologische Moleküle aus Aminosäuren, die in verschiedenen Kombinationen miteinander verbunden sind. Wenn die richtige Kombination von Aminosäuren miteinander verknüpft ist, faltet sich die Aminosäurekette zu einem Protein mit einer bestimmten Form und den richtigen chemischen Eigenschaften zusammen, damit es eine bestimmte Funktion oder Reaktion ausführen kann. Lebewesen bestehen größtenteils aus Proteinen. Einige Proteine sind Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren; andere transportieren Material in die Zellen und einige wirken als Schalter, die andere Proteine oder Proteinkaskaden aktivieren oder deaktivieren.

Wenn also ein neues Gen eingeführt wird, gibt es der Zelle die Codesequenz, damit sie das Protein neu herstellen kann.

Wie organisieren Zellen ihre Gene?

In Pflanzen- und Tierzellen ist fast die gesamte DNA in mehreren langen, zu Chromosomen aufgewickelten Strängen angeordnet. Die Gene sind eigentlich nur kleine Ausschnitte aus der langen Sequenz der DNA, die ein Chromosom bildet. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle repliziert, werden zuerst alle Chromosomen repliziert. Dies ist der zentrale Satz von Anweisungen für die Zelle, und jede Nachkommenzelle erhält eine Kopie. Um also ein neues Gen einzuführen, das es der Zelle ermöglicht, ein neues Protein herzustellen, das ein bestimmtes Merkmal verleiht, muss man nur ein wenig DNA in einen der langen Chromosomenstränge einführen.

Einmal inseriert, wird die DNA an alle Tochterzellen weitergegeben, wenn sie sich wie alle anderen Gene replizieren.

Tatsächlich können bestimmte DNA-Typen in von den Chromosomen getrennten Zellen gehalten werden und Gene können über diese Strukturen eingebracht werden, so dass sie sich nicht in die chromosomale DNA integrieren. Allerdings wird bei diesem Ansatz, da die chromosomale DNA der Zelle verändert wird, in der Regel nicht in allen Zellen nach mehreren Replikationen erhalten. Für die dauerhafte und vererbbare genetische Veränderung, wie sie z.B. bei der Pflanzenzüchtung eingesetzt wird, werden chromosomale Modifikationen eingesetzt.

Wie wird ein neues Gen eingesetzt?

Gentechnik bezieht sich einfach auf das Einbringen einer neuen DNA-Basissequenz (die in der Regel einem ganzen Gen entspricht) in die chromosomale DNA des Organismus. Das mag konzeptionell einfach erscheinen, aber technisch gesehen wird es etwas komplizierter. Es gibt viele technische Details, um die richtige DNA-Sequenz mit den richtigen Signalen im richtigen Kontext in das Chromosom zu bringen, die es den Zellen ermöglicht, es als Gen zu erkennen und daraus ein neues Protein herzustellen.

Es gibt vier Schlüsselelemente, die fast allen gentechnischen Verfahren gemeinsam sind:

  1. Zuerst braucht man ein Gen. Das heißt, Sie benötigen das physikalische DNA-Molekül mit den jeweiligen Basensequenzen. Traditionell wurden diese Sequenzen direkt von einem Organismus mit einer von mehreren aufwändigen Techniken gewonnen. Heutzutage synthetisieren Wissenschaftler, anstatt DNA aus einem Organismus zu extrahieren, typischerweise nur noch aus den grundlegenden Chemikalien A, T, C, G. Nach der Gewinnung kann die Sequenz in ein Stück bakterieller DNA eingefügt werden, das einem kleinen Chromosom (einem Plasmid) ähnelt, und da sich Bakterien schnell vermehren, kann so viel von dem Gen wie nötig hergestellt werden.
  2. Sobald Sie das Gen haben, müssen Sie es in einen DNA-Strang legen, der mit der richtigen umgebenden DNA-Sequenz umgeben ist, damit die Zelle es erkennen und exprimieren kann. Im Prinzip bedeutet dies, dass Sie eine kleine DNA-Sequenz namens Promotor benötigen, die der Zelle signalisiert, das Gen zu exprimieren.
  3. Neben dem Hauptgen, das eingesetzt werden soll, wird oft ein zweites Gen benötigt, um einen Marker oder eine Selektion bereitzustellen. Dieses zweite Gen ist im Wesentlichen ein Werkzeug, um die Zellen zu identifizieren, die das Gen enthalten.
    Schließlich ist es notwendig, eine Methode zu haben, um die neue DNA (d.h. Promotor, neues Gen und Selektionsmarker) in die Zellen des Organismus zu bringen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun. Für Pflanzen ist mein Favorit der Genwaffenansatz, der ein modifiziertes 22er-Gewehr verwendet, um DNA-beschichtete Wolfram- oder Goldpartikel in Zellen zu schießen.
  4. Bei tierischen Zellen gibt es eine Reihe von Transfektionsreagenzien, die die DNA beschichten oder komplex machen und es ihr ermöglichen, die Zellmembranen zu passieren. Es ist auch üblich, dass die DNA zusammen mit modifizierter viraler DNA gespalten wird, die als Genvektor verwendet werden kann, um das Gen in die Zellen zu tragen. Die modifizierte virale DNA kann mit normalen viralen Proteinen verkapselt werden, um ein Pseudovirus zu bilden, das Zellen infizieren und die DNA, die das Gen trägt, einfügen kann, aber nicht repliziert werden kann, um ein neues Virus zu bilden.

Bei vielen Dikotylen kann das Gen in eine modifizierte Variante des T-DNA-Trägers der Agrobacterium tumefaciens Bakterien eingebracht werden. Es gibt noch ein paar andere Ansätze. Bei den meisten nehmen jedoch nur wenige Zellen das Gen auf, so dass die Auswahl der modifizierten Zellen ein kritischer Teil dieses Prozesses ist. Deshalb ist in der Regel ein Selektions- oder Markergen notwendig.

Aber wie stellt man eine gentechnisch veränderte Maus oder Tomate her?

Ein GVO ist ein Organismus mit Millionen von Zellen und die obige Technik beschreibt nur wirklich, wie man einzelne Zellen gentechnisch verändert. Der Prozess zur Erzeugung eines ganzen Organismus besteht jedoch im Wesentlichen darin, diese gentechnischen Techniken auf Keimzellen (d.h. Spermien und Eizellen) anzuwenden. Sobald das Schlüsselgen eingefügt ist, nutzt der Rest des Prozesses im Wesentlichen genetische Zuchttechniken, um Pflanzen oder Tiere zu produzieren, die das neue Gen in allen Zellen ihres Körpers enthalten. Gentechnik wird eigentlich nur mit Zellen gemacht.

Die Biologie erledigt den Rest.

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