Transgener Organismus

Transgene Organismen sind Lebewesen, die in ihrem Genom zusätzliche Gene aus anderen Arten enthalten. Es handelt sich um genetisch veränderte Organismen (GVO). Solche Lebewesen werden mit gentechnischen Methoden hergestellt; in der Natur kann auch ein horizontaler Gentransfer ein transgenes Lebewesen erzeugen. Diese Art der genetischen Modifikation ist von traditionellen Züchtungsmethoden zu unterscheiden, bei denen immer nur auf bestehendem Erbgut und dessen nutzbringender, willkürlicher Selektion von zufällig auftretenden Mutationen aufgebaut wurde.

Transgene Mikroorganismen werden weltweit in großen Mengen zur Herstellung verschiedener Substanzen verwendet, von Antibiotika über Insulin oder Vitaminen (z. B. Riboflavin) bis zur Zitronensäure. Die Mikroorganismen werden dabei in großen Fermentern kultiviert und am Ende (Batch-Verfahren) oder kontinuierlich (Fed-Batch-Verfahren) geerntet.

Auch transgene eukaryotische Lebewesen werden bereits benutzt. Bekannte Beispiele hierfür dürften der Bt-Mais oder verschiedene Hefen sein. In der Entwicklungsbiologie, Genetik und anderen biologischen und medizinischen Bereichen sind transgene Organismen wichtige Werkzeuge zur Untersuchung von Genfunktionen. Dabei kommen verschiedene Verfahren der Erzeugung von Transgenen zum Einsatz. Bei Drosophila melanogaster werden Transgene beispielsweise mit Hilfe von Transposons erzeugt.

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Ziele

• Resistenzzüchtungen
• Produktivitätssteigerung
• Erforschung der Rolle bestimmter Gene
• Anpassung an extreme Umweltbedingungen
• u. a.

Höhere Lebewesen

Die generelle Strategie zur Erzeugung transgener höherer Lebewesen (eukaryotische Vielzeller) sieht folgendermaßen aus:

1. Gewinnung toti- oder pluripotenter embryonaler Stammzellen (ES)
2. Einschleusung von fremdem Erbgut in diese Zellen
3. Entwicklung der Stammzellen zu vollständigen Organismen

Bei Einbringung der modifizierten Zellen in die Keimbahn resultiert ein vollständig transgener Organismus, bei Integration in somatisches Gewebe kann eine genetische Chimäre erzeugt werden, die nur partiell transfeziertes Gewebe enthält. Chimären wiederum können durch geeignete Kreuzungen unter Umständen zu vollständig transgenen Organismen weitergezüchtet werden.

Weiterhin kann DNA auch über Infektion mit Retroviren oder direkte Injektion in einige Gewebetypen in einen Organismus eingeschleust werden.

Transgene Tiere

Bei Tieren werden zu diesem Zweck zunächst Vektoren, die das gewünschte Fremdgen enthalten, in befruchtete Eizellen eingebracht und diese dann scheinschwangeren Muttertieren implantiert. Die bei erfolgreicher Geburt erhaltenen Nachkommen sind mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit transfiziert und werden nach dem Fremdgen gescreent. Bezüglich des Fremdgens positive Nachkommen werden etabliert.

Bei Knockout-Mäusen handelt es sich um Mäuse, bei denen ein Gen gezielt so verändert (mutiert) ist, daß das durch das Gen codierte Protein nicht mehr exprimiert wird. Das Gen ist also knocked out. Auch mehrere Gene können in einem Stamm von Mäusen von solch einem knockout betroffen sein. Der Vorteil von Knockout-Tieren ist, daß die Funktion des fehlenden Proteins im lebenden Tier oder seinen Zellen und Geweben untersucht werden kann, indem man nach Unterschieden zwischen den jeweiligen Mutanten und Wildtyp-Tieren (meist Geschwister aus demselben Wurf) sucht.

Transgene Tiere dienen bereits jetzt zur Medikamentenproduktion. So wird α₁-Antitrypsin (AAT) ein humanes Protein das bei einigen Menschen nicht produziert wird, in transgenen Tieren produziert. Vor allem milchgebende Tiere sind für solche Zwecke besonders gut geeignet. Man versucht die entsprechende Gensequenz hinter einem milchdrüsenspezifischen Promotor zu setzten, sodass dieser Stoff nur in den Euter produziert wird. Dies spart Energie und verringert die Gefahr, dass durch den neuen Stoff negative Wechselwirkungen im Tier auftreten. Ein weiterer Anwendungsbereich für transgene Tiere ist die Xenotransplantation. Dabei dienen Tiere als menschliche Ersatzteillager für diverse Organe. Besonders an Schweinen wird geforscht, da viele Organe die gleiche Größe und Form besitzen. Außerdem ist der Genpool des Schweines ziemlich nahe mit dem des Menschen verwandt. Man versucht, eine Immunantwort nach einer erfolgreichen Transplantation durch Einbringen menschlicher DNA-Sequenzen zu unterdrücken. Primaten werden nicht nur aus ethischen Gründen nicht für diese Forschung verwendet, es besteht vielmehr die Gefahr, dass sich der Mensch durch Infekte der Primaten ansteckt.

Transgene Pflanzen

Gentransfer kann bei Pflanzen direkt in die zellwandlosen Protoplasten oder in intakte Gewebe geschehen. Es gibt verschiedenste Methoden der Transfektion. Die bekannteste Methode ist die Transformation durch das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens. Dabei wird die Eigenschaft des gram-negativen Bakteriums genutzt, einen Teil seiner DNA (T-DNA auf den Ti-Plasmid) mit Hilfe der Produkte der sog. vir-Gene (Virulenzgene) in die Pflanze zu übertragen. Dabei wird ein dem bakteriellen Konjugationssystem (Typ IV Sekretionssystem) ähnliches Injektionssystem genutzt. Nach Insertion in das Genom bilden sich in den Pflanzen dann die so genannten Gallen bzw. Tumore aus (bestehend aus Zellen, die sich ständig teilen). Die T-DNA kann durch beliebige DNA ersetzt werden, um diese auf diesem natürlichen Weg in das Genom der Pflanze zu integrieren.

Als weitere Methode hat sich die Mikroinjektion etabliert. Weiterhin wird auch zur Erzeugung von transgenen Pflanzen die Elektroporation und die particle gun (zu deutsch: Genkanone) verwendet. Dieses sind Geräte mit denen DNA-beschichtete mikroskopische Gold- oder Wolfram-Kügelchen unter hohen Druck in die Zellen geschossen werden können.

Mit diesen Methoden sollen nicht nur transgene Nutzpflanzen hergestellt werden, welche resistenter gegenüber Schädlingen (wie der Bt-Mais) sind oder größere Trockenheit oder einen höheren Salzgehalt des Bodens ertragen, sondern auch einen wichtigen Beitrag für die Medizin leisten, da in pflanzlichen Systemen die Produktion von Proteinen, Nutraceuticals oder Antikörpern kostengünstig möglich wäre. Aber auch zur industriellen Produktion sollen transgene Nutzpflanzen eingesetzt werden - wie etwa die gentechnisch veränderte Stärkekartoffel Amflora. Die chemische Industrie hat großes Interesse an transgenen Nutzpflanzen, die resistent gegenüber Herbiziden sind (etwa bestimmte Sorten transgener Raps).

Sicherheit

Die Herstellung von transgenen Organismen in biotechnologischen Labors stellt normalerweise nicht den Endpunkt der Forschung dar. Transgene Nutzpflanzen müssen zum Beispiel ihre Überlebensfähigkeit unter natürlichen Außenbedingungen unter Beweis stellen. Mit der Ausbringung der Pflanzen wird aber das Risiko eingegangen, dass natürliche Verbreitungsmechanismen (Pollenflug, Bestäubung) die künstlichen genetischen Konstrukte in die freie Natur befördern. Deswegen versucht die Forschung sichere Pflanzen zu entdecken, welche nicht zur Blüte gelangen. Eine Folgeabschätzung der Verbreitung der Organismen ist bei der Komplexität der Interaktion zwischen Phänotyp und Umwelt teilweise schwer möglich. Relativ sicher ist die Verwendung von transgenen Mikroorganismen. Diese werden oft so modifiziert, dass sie zum Beispiel unter UV-Licht nicht überleben können.