01.08.2005 Biotechnologie und Gentechnik Grundlagen und Verfahrensweisen Quelle: BIOLAB - Baden-Württemberg

01.08.2005

Biotechnologie und Gentechnik

Grundlagen und Verfahrensweisen

Quelle: BIOLAB - Baden-Württemberg

201.08.2005, © Peer Millauer

Was ist Biotechnologie?Was ist Gentechnik?

Definition Biotechnologie:

Definition Gentechnik:


Vielfalt der Anwendungsgebiete


Zellen, Gene, Proteine


Die Arbeit im Labor


Biotechnologie in der Forschung

Humangenomforschung- eineJahrhundertleistung der Wissenschaft

Bereits im Februar 2001 - vier Jahre früher als ursprünglich erwartet - wurde die vorläufige DNA-Sequenz des Menschen im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht. Sie umfasst demnach 3,2 Milliarden Basenpaare und enthält ca. 30,000 bis 40,000 Gene

Der Stellenwert des Humangenomprojekts wird von vielen Wissenschaftlern mit der Aufstellung des Periodensystems der Elemente in der Chemie oder mit der Mondlandung verglichen.

Weltweit u. a. mit Beteiligung der USA, Frankreichs, Großbritanniens und Japans im Jahre 1990 in Angriff genommen und von der Human Genome Organisation (HUGO) koordiniert. Deutschland schloss sich dem Projekt im Jahr 1995 an .


Ziele der Genomforschung

•Genome des Menschen, verschiedener Tiere, Pflanzen und Bakterien erforschen

•Gesamtstruktur des Genoms und Genfunktionen bestimmen

•Neue Analysemethoden entwickeln

•Evolutionsbiologische Zusammenhänge erfassen

•Ethische Begleitforschung betreiben


Entzifferung der Basenabfolge eines

Chromosoms


Gendiagnostik

•Genetisch bedingte Krankheitsursachen vor oder nach der Geburt erkennen

•Genetische Merkmale in Verbindung mit individuellen Reaktionen auf Medikamente nachweisen

•Individuen aufgrund genetischer Merkmale identifizieren ( z.B. in der Rechtsmedizin )

Ziele


GendiagnostikFunktionsweisen


GendiagnostikAnwendungsgebiete

•Vorgeburtlicher Nachweis von Erbleiden

•Nachgeburtlicher Nachweis: Vorhersage von Krebs oder Erbleiden

•Nachweis genetischer Faktoren für individuelle Reaktionen auf Medikamente (Pharmakogenetik)

•Test auf Gewebeverträglichkeit (Transplantationsmedizin)

•Vaterschaftsnachweise, Rechtsmedizin (genetischer Fingerabdruck)


Humangenetische Testverfahren Krankheitsursachen werden schnell

und präzise erkannt durch Genom und/oder DNA – Analyse auf dem pränatalen oder postnatalen Weg. Beratungen über die Verfahrensweisen gibt es beim Arzt oder den Beratungsstellen der Universitäten

Gendiagnostik


Gendefekte beim Menschen


Das Karyogramm des Menschen


Pro und Contra

Gendiagnostik


Ziele

Pharmakogenetik

Neue Wirk- und Impfstoffe finden und verfügbar machen

Wirksamkeit und Verträglichkeit steigern

Arzneimittel umweltfreundlicher und mit weniger Aufwand herstellen


Beispiele gentechnisch produzierter Arzneimittel

Pharmakogenetik

Erythroprotein (EPO): Blutarmut, Doping

Humaninsulin: Zuckerkrankheit

Interferon: Virus- und Krebstherapie

Hepatitis B – Antigen: Vorbeugung gegen Hepatitis


Verfahrensweisen

Pharmakogenetik

Gene für Eiweißstoffe, aus denen die Arzneimittel gewonnen werden, werden in Bakterien oder höhere Zellen übertragen, die diese dann in größeren Massen produzieren


Verfahrensweisen

Pharmakogenetik


PharmakogenetikDiskussion

Pro Neue

Behandlungsstrategien Bessere Verfügbarkeit Vermindertes

Infektionsrisiko Höhere Wirksamkeit Geingere Nebenwirkungen Umweltfreundlichere und

wirtschaftlichere Herstellung

Contra Verdrängung alternativer

Behandlungswege Missbrauch rekombinanter

Hormone (z.B. EPO) im Leistungssport


Methoden

Gentherapie

1) Somatische Gentherapie

2) Keimbahn - Gentherapie

Ad 1) : Erlaubt, weil nur Körperzellen therapiert werden, nicht vererbbar.

Ad 2) : Verboten, weil Ei und Samenzellen therapiert werden, vererbbar!


Ziele

Gentherapie

Heilung von Krankheiten und Veränderung von Eigenschaften auf genetischer Ebene, d.h. durch Einpflanzen von oder Manipulation des genetischen Materials eines Menschen


GentherapieFunktionsweisen


Anwendungsgebiete

Gentherapie

Behandlung von Krebs, Infektionskrankheiten, Herz – Kreislauferkrankungen, Erbleiden, etc.


GentherapieDiskussion

Pro Ursächliche Behandlung

bislang unheilbarer Krankheiten

Eröffnung neuer Behandlungswege

Überprüfung der Risiken und Wirksamkeit bestimmter Behandlungsformen

Contra Zeitlich begrenzte Wirkung

oder ausbleibender Erfolg Ungezielter Einbau in das

Erbgut kann Krebs zur Folge haben

Schwere Unverträglichkeitsreaktionen gegen Übertragungsvehikel

Gefahr der Anwendung auf menschliche Keimzellen (Keimbahntherapie)


Definition

Stammzellforschung

Ziele


Funktion

Stammzellforschung

Anwendung


Stammzellforschung


StammzellforschungDiskussion

Pro Erkenntnisgewinn über

grundlegende biologische Prozesse.

Stammzellen als Testsystem für die Entwicklung neuer Medikamente.

Neue Perspektiven für die Heilung beschädigter und erkrankter Organe.

Contra Ethische Probleme der

Erzeugung von Embryonen allein zu Forschungszwecken.

Ergebnisse können technische Möglichkeiten des Klonens des Menschen und genetische Eingriffe in die Keimbahn erweitern.


Definition

Tissue Engineering

Ziele

T.E.=„Gewebekonstruktion“, d.h. die Kultur und Vermehrung von Zellen und Geweben von Mensch und Tier außerhalb des Körpers. Neue Perspektiven für die Transplantationsmedizin


Tissue EngineeringFunktionsweisen


Tissue Engineering


Tissue EngineeringDiskussion

Pro Besser Übertragbarkeit von

Ergebnissen der Grundlagenforschung auf die Situation im menschlichen Organismus

Übertragung von Eigengewebe umgeht Problem des Spenderorganmangels

Keine Abstoßung von Transplantaten

Ersatz für Tierversuche

Contra Ethische Risiken des Einsatzes

embryonaler Stammzellen für die Züchtung von Geweben und Organen


Definition

Xenotransplantation

Verfahren

Einsatz tierischer Organe für die Transplantationsmedizin, insbesondere das Hausschwein kommt als Organspender in Betracht

Züchtung von transgenen Schweinen deren Zelloberflächen best. Organe einen menschlichen Eiweißstoff enthalten. Nach Transplantationen in Menschenaffen blieb eine Abstoßungsreaktion aus.


Risiken

Xenotransplantation

Ungewolltes Einschleusen von tierischen Krankheitserregern, z.B. Retroviren. Gefahr der Durchbrechung der Artenbarriere dieser Viren!Berüchtigtes Beispiel: Das AIDS – Virusaktuelle Gefahr: Das Vogelgrippenvirus in Asien


Hypothetisches Beispiel

Xenotransplantation


Ziele

Pflanzenzüchtung

Ertragssteigerung

Höhere Widerstandsfähigkeit

Qualitätsverbesserung

Kurze Generationszeit


Methoden

Pflanzenzüchtung

Kombinationszüchtung (das Kombinieren von positiven Eigenschaften durch Kreuzung)

Mutationszüchtung (das Hervorrufen gewollter Mutationen durch Chemikalien oder Strahlung und deren Weitervererbung)


Methodenbeispiel

Pflanzenzüchtung


Die Herstellung transgener Pflanzen

Biotechnologische Methoden in der

Pflanzenzüchtung

3 mögliche Verfahrensweisen zur Einbringung von Genen in Pflanzen:

• Über Plasmide (Agrobacterium tumefaciens)

• Über eine Partikelkanone

• Über Injektion in Protoplasten



Pflanzenzüchtung


Ziele


Pflanzenzüchtung

• Virusresistenz

• Pilzresistenz

• Insektenresistenz (Beispiel: Bt – Toxin)

• Herbizidtoleranz

• Qualitätssteigerung ( angereicherter Reis )

• Rohstoff für die Energieversorgung (Rapsöl)


Sicherheitsaspekte


Pflanzenzüchtung


Anbaustatistik


Pflanzenzüchtung


Transgene PflanzenDiskussion


Reproduktionstechniken


Tierzüchtung• Künstliche Besamung (Einführen des

Spermas in das weibliche Tier)

• In – vitro – Befruchtung (Befruchtung außerhalb des Körpers)

• Superovulation (Stimulierung einer hohen Zahl von Eizellen)

• Ammentiere (Austragen in Leihmuttertieren)

• Klonierung ( Embryosplitting oder Kerntransfer)


Klonierung durch Kerntransfer


Tierzüchtung

Bestätigung dieser Methode auch an anderen Tieren: Rind, Ziege, Maus, Schwein.Jedoch für Tierzucht wenig effektiv, da nur jedes 250 Tier lebensfähig ist.


Transgene Tiere


Tierzüchtung

Mikroinjektion von Genen in die befruchtete Eizelle

Methode möglich, jedoch wenig effektiv: Nur 0,75 % aller Zygoten entwickeln sich zum lebensfähigen Tier (Beispiel : Rind)

Die Kosten sind enorm:Die Herstellung eines transgenen Rindes kostet zwischen 0,5 und 1 Mio US – Dollar.Info: Transgene Lachse

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