Gentechnik
Die moderne Gentechnik hat das Leben der Menschen stark beeinflusst. Viele Pflanzen sind inzwischen gentechnisch verändert worden und damit resistenter gegen Parasiten oder Krankheiten, tragen mehr Früchte oder halten Umweltfaktoren besser stand. Auch bei der Identifikation von Personen, bei Verwandtschaftsanalysen oder bei der Untersuchung auf genetisch bedingte Krankheiten spielen Verfahren der Gentechnik eine große Rolle.
Rekombinante DNA
Gentechnische Verfahren haben oft das Ziel, sogenannte rekombinante DNA herzustellen. Darunter versteht man DNA, in der verschiedene Gene neu kombiniert werden, um zum Beispiel bestimmte Merkmale in einem Genom miteinander kombinieren zu können. Fügt man zum Beispiel Erbinformation zur Insulinproduktion in eine Bakterienzelle ein, kann man das produzierte Insulin zu medizinischen Zwecken nutzen. Um diese rekombinante DNA herzustellen, werden viele verschiedene Enzyme benutzt:
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Restriktionsenzyme:
Diese Enzymgruppe schneidet doppelsträngige DNA an spezifischen Sequenzen. Meist werden die Stränge nicht glatt getrennt, sondern ein Strang bleibt ein paar Basen länger, als der andere Strang.
Ligasen:
Die Enden, die von den Restriktionsenzymen „offen“ gelassen worden sind, können mit anderen DNA-Fragmenten wieder verbunden werden. Da der genetische Code universell ist, DNA also bei allen Organismen gleich aufgebaut ist, kann diese Verbindung auch zwischen DNA-Stücken von verschiedenen Arten entstehen. Die Ligasen schließen dann die Lücken zwischen den ZuckerPhosphat-Ketten, indem sie kovalente Bindungen ausbilden.
DNA-Polymerasen:
DNA-Polymerasen bauen DNA-Stränge auf, indem sie komplementär zu einem Einzelstrang den dazugehörigen Doppelstrang synthetisieren. Als Ansatzstelle benötigen sie einen Primer, also ein kleines Stück doppelsträngige MatritzenNukleinsäure. Ohne diesen können die meisten Polymerasen nicht arbeiten.
Reverse Transkriptasen:
Hierbei handelt es sich um ein Enzym, welches aus einem isolierten mRNAStrang wieder das entsprechende Gen, also den DNA-Strang, herstellen kann. Dieses neue DNA-Molekül bezeichnet man dann als copy-DNA oder cDNA. Bei Eukaryoten ist hier darauf zu achten, dass der DNA-Abschnitt bei der Übersetzung in die mRNA bereits die Prozessierung durchlaufen hat – die cDNA ist also
der Genabschnitt ohne Introns.
Um fremde DNA in eine neue Wirtszelle zu überführen, werden sogenannte Vektoren verwendet. Diese dienen als Transportmittel, um neue DNA-Stücke zu überführen. Häufig werden Plasmide aus Bakterienzellen als Vektoren verwendet, da diese oft zu ungewöhnlichen Stoffwechselleistungen befähigen und die gut überführt werden können. Sie eignen sich besonders für die Übertragung von kleineren Genabschnitten. Auch Viren können als Vektoren verwendet werden und haben gegenüber der Plasmiden den Vorteil, dass auch größere DNA-Abschnitte eingebaut werden können.
Die Herstellung von rekombinanter DNA verläuft in fünf Schritten:
- Isolierung der DNA: Der DNA-Abschnitt, der in einen anderen Organismus oder eine andere Zelle eingebaut werden soll, muss zuerst herausgeschnitten und isoliert werden. Dazu wird die DNA vom Rest der Zelle getrennt und mithilfe von Restriktionsenzymen in kleinere Fragmente zerschnitten.
- Isolierung des Vektors: Um den gewünschten DNA-Abschnitt überführen zu können, muss ein geeigneter Vektor gefunden und isoliert werden. Mithilfe der Restriktionsenzyme, die auch schon zum Zerschneiden der DNA benutzt wurden, wird der Vektor dann aufgeschnitten.
- Hybridisierung: Der ausgewählte DNA-Abschnitt wird dann durch Ligasen mit dem Vektor verknüpft.
- Transformation: Die neue Kombination aus DNA-Abschnitt und Vektor wird in einen Empfängerorganismus überführt, indem die Zellmembran durch eine bestimmte chemische Behandlung durchlässig gemacht wird. Hier handelt es sich danach um einen transgenen Organismus.
- Selektion: Da mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht alle Empfängerzellen in einem Durchlauf auch die rekombinante DNA aufgenommen haben, müssen die Zellen identifiziert und isoliert werden, welche die gewünschten Genkombinationen besitzen. Dazu werden die Zellen mithilfe eines Selektivverfahrens, bei dem die anderen Zellen absterben, identifiziert und vermehrt (DNA-Klonierung). Diese selektive Vermehrung erfolgt häufig mithilfe von Antibiotika. Auf dem Vektor befinden sich nicht nur erwünschte Stoffwechselleistungen, sondern auch Resistenzen gegen bestimmte Substanzen. Gibt man nun ein Antibiotika zu den Wirtszellen, so werden nur diejenigen überleben, die eine Resistenz dagegen besitzen, also den Vektor erfolgreich aufgenommen haben.
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