Genetische Modifikation – Definition, Technologien & Methoden

Von der Ernährung bis zur Medizin – es gibt viele Bereiche unseres täglichen Lebens, in denen Gentechnik eine Rolle spielt, ohne dass uns das bewusst sein muss. Sie nutzt verschiedene Technologien und Methoden und bringt – je nach Anwendungsbereich – unterschiedliche Vorteile und Nachteile mit sich.

Was bedeutet genetische Modifikation?

Genetische Modifikation ist eine Technologie, mit der sich das Erbgut (DNA) von Organismen gezielt manipulieren lässt, um diesen bestimmte Eigenschaften oder Funktionen hinzuzufügen oder sie zu verändern. Diese Veränderung kann über verschiedene Technologien und Methoden erfolgen.

Achtung Verwechslungsgefahr: Ähnliche Begriffe

Genetische Modifikationen werden auch Manipulationen oder gentechnische Veränderungen genannt – alle diese Begriffe bezeichnen dasselbe Prinzip und können als Synonyme verwendet werden. Manchmal findet sich auch der Oberbegriff “Gentechnik” als Synonym, was ebenfalls inhaltlich korrekt ist.

• Genetische Mutation: Auch eine Mutation bezieht sich auf Veränderungen in der genetischen Information eines Organismus. Allerdings handelt es sich hierbei um natürliche, nicht durch den Menschen initiierte Änderungen der DNA, die durch bestimmte Umweltfaktoren (zum Beispiel: Chemikalien, Reproduktionsfehler, Strahlung) hervorgerufen werden. Diese Änderungen dienen der Anpassung an eine sich wandelnde Umwelt, haben darüber hinaus aber kein spezifisches Ziel.
  
• Epigenetische Modifikation: Epigenetische Mechanismen bezeichnen Veränderungen der Genexpression, welche auftreten, ohne dass sich die zugrunde liegende DNA-Sequenz verändert. Die Veränderungen erfolgen über verschiedene Mechanismen (beispielsweise DNA-Methylierung), welche für die Regulation der Genaktivität verantwortlich sind. Epigenetische Veränderungen können vererbt werden, sind aber in vielen Fällen auch umkehrbar.

Historische Entwicklung

Der Versuch, bestimmte Eigenschaften von Pflanzen und Tieren durch Züchtung zu beeinflussen, ist schon viele tausend Jahre alt. Doch die Wurzeln der modernen Gentechnik liegen im 20. Jahrhundert, als Wissenschaftler begannen, die DNA direkt zu manipulieren. 

Den Durchbruch erzielten sie in den 1970er-Jahren. Hier gelang es Wissenschaftlern zum ersten Mal, spezifische DNA-Moleküle aus einem Organismus zu entnehmen und in einen anderen einzufügen. Seitdem hat sich die Gentechnik rasant weiterentwickelt und mit ihr auch die Entwicklung neuer Methoden wie die CRISPR-Cas9-Technologie.

Technologien und Methoden der Gentechnik

Das Genmaterial (DNA) eines Organismus ist nach einem Baukastensystem aufgebaut, bei dem bestimmte Gene für bestimmte Eigenschaften eines Organismus verantwortlich sind. 

Die Gentechnologie greift in dieses Baukastensystem ein, indem sie neue Gene oder DNA-Abschnitte hinzufügt, vorhandene Gene deaktiviert oder die Aktivität bestimmter Gene verändert. Diese Veränderungen erfolgen über verschiedene Technologien, zu denen die drei folgenden “Genscheren” gehören:

• CRISPR-Cas9-Technologie: Diese Technologie ist die bekannteste Genschere, deren Entdeckerinnen hierfür im Jahr 2020 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Bei dieser Methode kommen Cas-Proteine zum Einsatz, welche den DNA-Strang des Erbguts an einer genau definierten Stelle durchschneiden. Wo dieser Schnitt erfolgen soll, bestimmt ein RNA-Molekül, das sich an diese Stelle bindet. So finden die Cas-Proteine auf Anhieb den richtigen Ort. Da das RNA-Molekül austauschbar ist, sind Schnitte an jeder beliebigen Stelle möglich. Inzwischen gibt es bereits einige Varianten der Methode: Manche davon schneiden nicht, sondern tauschen kleine Abschnitte aus, andere verändern ihre Struktur überhaupt nicht, beeinflussen aber ihre Aktivität.

• ZFN (Zinkfinger-Nukleasen): Die erste Genschere nutzte ein synthetisches Protein namens ZFN (Zinkfingernuklease). Hierbei handelt es sich um die Kombination aus einem Protein, das die Aktivität von Genen regulieren kann (Zinkfinger-Protein) und einer Nuklease, welche einen DNA-Strang durchtrennen kann (FokI). Das winzige Protein eignet sich für spezielle Anwendungen, allerdings ist seine Konstruktion mit sehr hohem Aufwand verbunden.

• TALEN: Eine vergleichsweise große Genschere ist das synthetische Molekül TALEN, das ebenfalls aus einem Protein und der FokI-Nuklease besteht und ähnlich aufwändig herzustellen ist. Dank der längeren Bindungsstelle in der DNA kann TALEN präziser arbeiten und das Risiko für unerwünschte Schnitte außerhalb des gewünschten Bereichs ist minimal.

Anwendungsbereiche der Gentechnik

Die Anwendungsbereiche in der Gentechnologie sind vielfältig. Sie reichen von der Medizin bis hin zur Landwirtschaft und biotechnologischen Industrie. Hier wird sie genutzt, um Enzyme, Bio-Kraftstoffe oder Bio-Kunststoffe zu produzieren. 

Grundsätzlich lässt sich die Anwendung der Gentechnologie in mehrere Kategorien aufteilen, denen bestimmte Farben zugeordnet sind:

Grüne Gentechnik 

Grüne Gentechnik (auch Agrogentechnik genannt) umfasst die Entwicklung genetisch veränderter Pflanzen, wie sie in der Landwirtschaft oder Lebensmittelindustrie zum Einsatz kommen. Dies geschieht aus zwei Gründen: Zum einen gilt es, Pflanzen zu entwickeln, die resistenter gegen Krankheiten, Schädlinge und Umweltstress wie Trockenheit oder hohe Temperaturen sind. Das steigert den Ertrag der Ernte. Zum anderen sollen pflanzliche Produkte für die Konsumenten optimiert werden – zum Beispiel durch eine gentechnische Erhöhung des Nährstoffgehalts oder die Entfernung von Allergenen.

Rote Gentechnik 

Rote Gentechnik bezeichnet den medizinischen und pharmazeutischen Anwendungsbereich. Dieser umfasst die Diagnostik und Behandlung von Erkrankungen und Verletzungen, aber auch die Entwicklung von Arzneimitteln. Ein Beispiel hierfür ist die Produktion von Insulin, das nur mithilfe von Gentechnologie hergestellt werden kann. 

Gentechnik kann auch dazu verwendet werden, neue Behandlungen für Erkrankungen (beispielsweise Krebs) zu entwickeln, welche nicht mit einer medikamentösen Therapie behandelt werden können.

Weiße Gentechnik

Dieser Bereich bezieht sich auf eine industrielle Verwendung von gentechnisch veränderten Mikroorganismen zur Entwicklung von bestimmten Produkten oder Chemikalien. Davon können ganz unterschiedliche Branchen profitieren, zum Beispiel die chemische Industrie oder Lebensmittel- und Textilindustrie.

Graue Gentechnik

Die graue Gentechnik bezeichnet den Einsatz gentechnischer Verfahren in der Abfallwirtschaft. Typische Anwendungen sind Recyclingprozesse sowie die Wasserreinigung und -aufbereitung. In diesen Bereich fällt auch die Nutzung von Gentechnologie zur Beseitigung von Kontaminationen wie Ölteppichen im Meer oder Schwermetallbelastungen im Erdboden.

Blaue Gentechnik

Die blaue Gentechnik beschäftigt sich mit dem Einsatz von Gentechnik bei im Wasser lebenden Organismen. Ihre Anwendungsbereiche liegen unter anderem in der Lebensmittelproduktion sowie der Energie- und Treibstoffproduktion.

Chancen und Risiken

Indem wir die Epigenetik beeinflussen, erhöht das die Wahrscheinlichkeit, viele Aspekte unseres Lebens positiv und langfristig zu verbessern. 

Dazu gehört die Entwicklung von (Gen)Therapien zur Behandlung von Erbkrankheiten durch eine direkte genetische Modifikation oder die individuelle Anpassung von Behandlungen auf die genetische Konstitution eines einzelnen Patienten. 

In der Landwirtschaft kann die Gentechnologie die Krankheits- und Schädlingsresistenz von Pflanzen erhöhen und sie gleichzeitig so modifizieren, dass sie sich an neue Umweltbedingungen wie übermäßigen Regen oder Dürre besser anpassen. 

Dadurch lässt sich der Ernteertrag und damit auch die Nahrungsmittelproduktion erhöhen. Gleichzeitig erfordern resistente Pflanzen einen geringeren Einsatz von Pestiziden, was die Umwelt schont.

Dennoch ist der Einsatz von Gentechnik nicht unumstritten: Seit der ersten Anwendung gibt es ethische Bedenken und sicherheitsrelevante Diskussionen über potenzielle Risiken, welche bei der Auseinandersetzung mit dem Thema zu berücksichtigen sind. 

Kritiker weisen darauf hin, dass die langfristigen Auswirkungen von Gentechnologie auf Organismen und Ökosysteme noch nicht abschätzbar sind. Es ist denkbar, dass genetisch modifizierte Pflanzen native Arten verdrängen und damit die Biodiversität und Dynamik des Ökosystems beeinflussen. 

Auch wirtschaftliche Abhängigkeiten der Landwirtschaft von großen Unternehmen sind zu bedenken, ebenso wie mögliche Gesundheitsrisiken, welche bei der Verwendung von gentechnisch veränderten Lebensmitteln auftreten könnten.