Mehr als 40 Jahre Gentechnik: 1980 bis heute

1981 erfanden die Amerikaner Richard Palmiter und Ralph Brinster eine Methode, um Tiere gentechnisch zu verändern: Die Mikroinjektion. Die befruchteten Eizellen des Tieres werden dabei auf ein Glasplättchen gebracht. Unter dem Mikroskop sticht man mit einer sehr feinen Glasnadel in eine Eizelle und spritzt viele Kopien des fremden Gens hinein. Die Eier werden dann in die Gebärmutter eines Muttertieres transferiert, das die Jungtiere austrägt. Das fremde Gen wird bei 10 bis 20% der Eier stabil in die DNA eingebaut. Die sich daraus entwickelnden Jungen tragen das fremde Gen in allen ihren Körperzellen, und damit auch in den Geschlechtszellen. Deshalb vererben sie die neu erworbene Eigenschaft an die nachfolgenden Generationen weiter. Palmiter und Brinster übertrugen auf diese Weise ein Wachstumshormon-Gen der Ratte auf Mäuse. Die gentechnisch veränderten (transgenen) Mäuse wuchsen sehr schnell und erreichten fast die doppelte Grösse ihrer normalen Artgenossen.

1982 bewilligte die amerikanische Gesundheitsbehörde FDA die Zulassung des ersten gentechnisch hergestellten Medikamentes. Es handelte sich um Human-Insulin. Insulin ist ein Hormon, das in bestimmten Zellen der Bauchspeicheldrüse jedes gesunden Menschen produziert wird. Es ist dafür verantwortlich, dass das Blut nicht zu viel Zucker enthält. Manche Menschen produzieren zu wenig Insulin und haben deshalb zu viel Zucker im Blut. Darum heisst diese Krankheit Zuckerkrankheit (Diabetes). Schwer zuckerkranke Menschen müssen täglich Insulin spritzen, um gesund leben zu können. Früher wurde das Insulin aus der Bauchspeicheldrüse von Rindern oder Schweinen gewonnen. Seit den Achtzigerjahren wird es grösstenteils gentechnisch hergestellt. Die amerikanische Biotech-Firma „Genentech“ war das erste Unternehmen, dem dies gelang: durch Übertragung des Gens für Human-Insulin auf das Bakterium Escherichia coli.

Kary B. Mullis (USA) entwickelt eine Methode, mit der ein bestimmter kurzer DNA-Abschnitt auf einer mehrere hunderttausend Bausteine langen DNA aufgespürt und millionenfach vervielfältigt werden kann. Diese Technik nennt man Polymerase-Kettenreaktion (PCR).

Der Amerikanerin Mary-Dell Chilton und den beiden Belgiern Jeff Schell und Marc van Montagu gelang 1983 die gentechnische Veränderung einer Tabakpflanze. Für die Gen-Übertragung benutzten sie das Bakterium Agrobacterium tumefaciens. Dieses Bakterium besitzt einen Gen-Ring (Plasmid), von dem es einen bestimmten DNA-Abschnitt (T-DNA) in verletzte Pflanzenzellen schleust, sobald es mit diesen in Kontakt kommt. Diese Eigenschaft machten sich die Gentechniker zu Nutze: Sie schnitten einen Teil der T-DNA aus dem Plasmid heraus und fügten das fremde Gen hinein. Mit Tabakzellen in Kontakt gebracht, schleuste das Bakterium das fremde Gen hinein. Aus den derart gentechnisch veränderten Tabakzellen entwickelten sich ganze Pflanzen, die in allen ihren Zellen das neue Gen enthielten und das entsprechende Protein produzierten. Wie bei der transgenen Maus (siehe 1981) wurde das Gen an die Nachkommen weitervererbt.

Der Amerikaner Alec Jeffreys entwickelte 1984 den „genetischen Fingerabdruck“. Diese Methode wird z.B. in der Kriminalistik eingesetzt: Findet man am Tatort Blut, Haare, Haut, Speichel oder Sperma, kann man daraus die DNA gewinnen und einen „genetischen Fingerabdruck“ erstellen. Stimmt dieser mit dem einer verdächtigen Person überein, ist das Verbrechen oft geklärt. Der „genetische Fingerabdruck“ dient auch zur Aufklärung umstrittener Vaterschaften.

Auf der Oberfläche von Krankheitserregern befinden sich Proteine, gegen die das Immunsystem der infizierten Person Antikörper bildet. Mittels Gentechnik ist es möglich, die entsprechenden Gene auf Bakterien oder höhere Zellen zu übertragen, sodass diese die Oberflächen-Proteine produzieren. Diese Proteine kann man dann als Impfstoffe einsetzen. Das Immunsystem der geimpften Person bildet Antikörper gegen diese ungefährlichen Teile des Erregers. Sollte die geimpfte Person dann vom Erreger infiziert werden, ist ihr Immunsystem bestens gewappnet und verhindert den Ausbruch der Krankheit. Der erste gentechnisch hergestellte Impfstoff, der zugelassen wurde, schützt vor Hepatits-B-Viren und damit vor Gelbsucht, die in schweren Fällen zu Leberzirrhose und Leberkrebs führen kann.

Bevor es überhaupt zu einem Freilandversuch mit einer transgenen Pflanze kommt, vergehen Jahre der intensiven Prüfung im Labor und im Gewächshaus. Hat eine Pflanze alle diese Tests erfolgreich bestanden, folgt der Schritt ins Freiland, zuerst auf kleine Parzellen und dann auf grössere Felder. Erst hier erweist sich letztlich, ob die neu in die Pflanze eingebrachte Eigenschaft wie z.B. Pilzresistenz den komplexen Bedingungen der Natur standhält. 1986 begannen in den USA die ersten Freilandversuche mit insekten-, bakterien- und virusresistenten transgenen Pflanzen. Mittlerweile sind weltweit mehr als 25000 Freilandversuche mit transgenen Pflanzen durchgeführt worden.

Der erste Gentherapie-Versuch wurde von amerikanischen Ärzten um French Anderson im September 1990 an einem vierjährigen Mädchen, Ashanti DaSilva, durchgeführt. Das Kind litt an einer Erbkrankheit, der schweren Immunschwächekrankheit SCID. Verantwortlich für die Krankheit ist ein einzelnes defektes Gen. Die Ärzte entnahmen dem Kind Blut und versahen die weissen Blutzellen mit einer gesunden Version des Gens. Dann gaben sie dem Kind die gentechnisch veränderten Zellen durch Infusion wieder zurück. Der Zustand von Ashanti verbesserte sich daraufhin, doch konnte niemand genau sagen, ob die Gentherapie dafür verantwortlich war oder aber die Medikamente, die das Kind zusätzlich verabreicht bekam.

Der schottischen Firma PPL Therapeutics gelang 1991 die Züchtung eines transgenen Schafes, das in seiner Milch relativ grosse Mengen des Proteins Alpha-I-Antitrypsin (AAT) produziert. AAT wird bis heute noch mit herkömmlichen Verfahren hergestellt und zur Behandlung schwerer Lungenleiden eingesetzt. Es wurde ausgerechnet, dass 2000 transgene Schafe genügen würden, um den weltweiten Bedarf an AAT abzudecken. Diese Art der Medikamentenherstellung wird genepharming genannt. Bis heute ist aber noch kein derart produziertes Medikament auf dem Markt.

Mittels Gentechnik kann man einzelne Gene in die DNA von Pflanzen übertragen und ihnen dadurch eine neue Eigenschaft wie z.B. Resistenz gegenüber einem schädlichen Organismus verleihen. Und auch das Gegenteil ist möglich: Durch Entfernung oder Inaktivierung eines Gens kann man eine Eigenschaft eliminieren oder abschwächen. Genau das hat man bei der FlavrSavr-Tomate, dem ersten gentechnisch veränderten Lebensmittel, das auf den Markt kam, gemacht: Durch Inaktivierung eines bestimmten Gens wurde die Produktion jenes Enzyms unterdrückt, das hauptsächlich für das Weichwerden von Früchten und Gemüsen verantwortlich ist. Dadurch ist die Tomate länger haltbar als herkömmliche Tomaten.

Die Hefe ist zwar ein Einzeller, gehört aber wie der Mensch zu den Lebewesen, deren Zellen Zellkerne enthalten (= Eukaryoten), was sie für die Forschung sehr interessant macht. Die Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) war der erste Eukaryot, dessen Genom (mehr als 12 Millionen Bausteine) entschlüsselt wurde. Diese Arbeit erfolgte in internationaler Zusammenarbeit und war 1996 beendet. Zuvor gelang die Entschlüsselung wesentlich kleinerer Genome: 1983 diejenige des ersten Virus (Bakteriophage Lambda) und erst 1995 diejenige des ersten Bakteriums (Haemophilus influenzae).

Dem Forscherteam um Jeff Isner in Boston gelang 1998 der erste Gentherapie-Erfolg: Mehrere Patienten, die an schwerster Gangrän (dem Gewebezerfall infolge einer Durchblutungsstörung) litten, blieben dank der Übertragung eines Gens, welches das Wachstum von Blutgefässen fördert, vor Fussamputationen bewahrt.

Das erste Genom eines Tieres, jenes des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, war 1998 vollständig entziffert. An der Entschlüsselung der sechs Chromosomen mit über 97 Millionen Bausteinen hatten zwei Forscherteams in den USA und in England mehr als acht Jahre lang gearbeitet.

Das weltweit erste Pflanzengenom, jenes der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), mit 120 Millionen Bausteinen auf 5 Chromosomen, war im Jahr 2000 fertig entschlüsselt. An dieser Arbeit hatten sich Forscher aus dem EU-Raum, den USA und Japan beteiligt.

Im Februar 2001 veröffentlichten Wissenschafter des internationalen „Human Genome Project“ und der amerikanischen Firma „Celera Genomics“ die erste detaillierte Karte des menschlichen Genoms in den Wissenschaftsmagazinen „Nature“ bzw. „Science“. Offenbar besitzt der Mensch lediglich 30’000 bis 40’000 Gene und nicht wie bis anhin angenommen bis zu 100’000. Damit ist das Projekt aber noch lange nicht abgeschlossen. Eine weitere grosse Herausforderung besteht nun darin herauszufinden, welche Funktionen die Gene haben und wie sie miteinander verknüpft sind. Von besonderem Interesse sind jene Gene, deren Defekte Krankheiten verursachen.

Kurze RNA-Stücke können sich an abgeschriebene Gene anheften. Dadurch entsteht doppelsträngige RNA, und diese wird von Enzymen entdeckt, die darauf spezialisiert sind, doppelsträngige RNA abzubauen. Die Abschrift des Gens wird dadurch zerstört und das Protein kann nicht hergestellt werden. Die Entdeckungen zum Mechanismus der RNA-Interferenz werden als molekularbiologischer Durchbruch des Jahres 2002 gefeiert.

Schweine kennen wir als Fleischlieferanten. Die Xenotransplantation plant, Schweine als Organspender einzusetzen. 2002 gelang es, mehrere Schweine-Proteine gentechnisch zu verändern, was die Gefahr der Abstossung eines transplantierten Organs vermindert.

Je nach genetischer Veranlagung bauen die Enzyme verschiedener Menschen gewisse Medikamente schneller oder langsamer ab. Die gleiche Dosis wirkt daher bei den einen kaum, bei anderen wiederum zu stark. Ein Gen-Chip prüft anhand eines Bluttropfens, welche Enzym-Arten bei einer Person aktiv sind. So weiss die behandelnde Ärztin oder der Arzt, ob ein Patient Arzneimittel schnell oder langsam verstoffwechselt. Dies hilft dabei, die richtige Dosis zu verschreiben.

Elodie wurde bei ihrer Zeugung nach bestimmten genetischen Eigenschaften auserwählt: Sie trägt die gleichen Gewebeeigenschaften wie ihr Bruder. Ihre Knochenmarkspende heilte ihn von einer lebensbedrohlichen Krankheit. Die Eltern von Elodie mussten zur Zeugung allerdings nach Belgien reisen, da in der Schweiz dieses Verfahren aus rechtlichen Gründen bislang verboten ist.

Arsen ist giftig. Ein einfaches Testgerät mit gentechnisch veränderten Bakterien gibt Auskunft, ob das Trinkwasser damit verseucht ist. Da oft schon der Nachbarbrunnen besseres Wasser enthält, ist dieser Biosensor für Entwicklungsländer von grosser Bedeutung.

Im Gegensatz zum stabilen Genom (alle Gene eines Organismus) ist das Proteom (alle Proteine eines Organismus) sehr dynamisch. Ein Beispiel: Eine Raupe und der aus ihr entstehende Schmetterling haben das gleiche Genom, unterscheiden sich aber stark im Proteom. Ein einzelnes Gen kann dank Abwandlungen der Buchstabenreihenfolge auf der Ebene der RNA verschiedene Proteine hervorbringen. Das Proteom ist daher viel grösser als das Genom und ändert sich je nach Entwicklungsstand.

Im Oktober 2007 bekommen Martin Evans, Mario Capecchi und Oliver Smithies den Nobelpreis für Medizin. Martin Evans entdeckte, wie man Stammzellen aus Mäuseembryonen gewinnt. Seine beiden Kollegen fanden heraus, wie man in den Stammzellen ein Gen funktionsunfähig macht (engl. „knock out“), so dass das entsprechende Protein nicht mehr hergestellt wird. Evans hatte die Idee, die veränderten Stammzellen in junge Mäuseembryonen einzubringen. Als ausgewachsene Mäuse bestand ein Teil ihres Gewebes aus gentechnisch veränderten Zellen, teilweise sogar ihre Eizellen und Spermien. Zeugten diese Tiere Nachwuchs, war bei den Jungen jede Zelle gentechnisch verändert. Erkrankten diese Knock-out-Mäuse plötzlich an Krebs, so wussten die Forscher, dass das funktionslos gemachte Gen für die Verhinderung einer Krebserkrankung verantwortlich ist.

Im Jahr 2008 wurde das Gen NDM-1 bei Bakterien entdeckt, die einen aus Indien zurückgekehrten schwedischen Patienten befallen hatten. Das Gen verleiht Bakterien Resistenz gegen eine bestimmte Klasse von Antibiotika. Diese Medikamente hatte man in Indien im Kampf gegen schwere bakterielle Infektionen in grossen Mengen eingesetzt. Mit Hilfe von sogenannten Plasmiden hatten die Krankheitserreger das Gen NDM-1 von harmlosen, aber antibiotikaresistenten menschlichen Darmbakterien übernommen und wurden dadurch ebenfalls resistent. Zurzeit sind die gefährlichen Keime mit dem NDM-1-Gen vor allem in Indien und Pakistan verbreitet, in Europa findet man sie noch äusserst selten.

Auf der Suche nach den genetischen Ursachen von Schizophrenie analysierte ein amerikanisches Forscher-Team das Genom von 8'000 erkrankten Personen und 19'000 Kontrollpersonen. Das Team konnte zeigen, dass Schizophrenie viele genetische Ursachen hat. Besonders starke Veränderungen fanden sich auf dem Chromosom 6. Dort liegen die unterschiedlichsten Gene; einige davon sind für die Funktion des Immunsystems wichtig. Die Forscherinnen und Forscher konnten anhand der Ergebnisse zum ersten Mal einen Zusammenhang zwischen dem Immunsystem und Schizophrenie herstellen. Man hatte zuvor bereits vermutet, dass schwere frühkindliche Infektionen bei Menschen mit der entsprechenden Veranlagung die Krankheit auslösen könnten.

Im Mai 2010 überraschte Craig Venter, US-amerikanischer Wissenschaftler, die Welt mit dem ersten Lebewesen, dessen Erbgut (Genom) komplett künstlich hergestellt wurde. Er und sein Team hatten das gesamte Genom eines Bakteriums der Gattung Mycoplasma mycoides im Labor nachgebaut, indem sie es Buchstabe um Buchstabe abschrieben. Das künstliche Erbgut wurde anschliessend in eine Empfängerbakterienzelle übertragen. Um es als künstlich zu markieren, haben die Wissenschaftler ihre Namen und eine Webadresse darin kodiert. Wer den Code entschlüsselt, kann ihnen eine Email schicken.

Auch nach der vollständigen Sequenzierung des menschlichen Genoms im Jahr 2001 bestand weitgehende Unklarheit über die Funktion von mehr als 90 Prozent der entschlüsselten Sequenz. Gerade einmal 3 % der Gesamtsequenz wurden als funktionelle Gene identifiziert, die tatsächlich den Bauplan eines Proteins darstellen. Den Rest bezeichnete die Wissenschaft umgangssprachlich auch als „Junk“-DNA. Ein internationales Forscherkonsortium bestehend aus über 440 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 32 Laboren weltweit hat es sich seither zur Aufgabe gemacht, das Rätsel um die „Junk“-DNA zu lüften. Das Projekt erhielt den Namen ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements). Im September 2012 veröffentlichten die Mitglieder des ENCODE-Teams ihre ersten Erkenntnisse: 80 % der bislang unbekannten DNA-Bereiche besitzen eine biochemische Funktion. Ein wesentlicher Bestandteil dieser jetzt entschlüsselten DNA entfällt auf die Steuerung der Aktivität von Genen. Dies erklärt unter anderem, wie es sein kann, dass aus einer einzigen Vorläuferzelle eine Leberzelle oder eine Nervenzelle entstehen kann. Der Unterschied liegt also nicht in der genetischen Information selbst, sondern in ihrer Regulierung. Diese hängt von sogenannten Bindestellen für Transkriptionsfaktoren, aber auch von verschiedenen RNA-Kopien ab. Die Regulierungsmechanismen steuern, ob, wann und in welchen Mengen ein Protein gebildet wird. Die Erkenntnisse aus dem ENCODE-Projekt erklären, wieso Mutationen in Bereichen des Erbguts, welche bisher als funktionslos galten, trotzdem mit verschiedenen Erkrankungen in Verbindung stehen.

Bakterien wehren sich gegen Viren mit einem speziellen System namens CRISPR-Cas9. Jennifer A. Doudna und Emmanuelle Charpentier entdeckten 2012, wie mit dem System gezielt Gene verändert werden können (CRISPR/Cas9 als molekularbiologische Methode: Wie funktioniert sie?). Das Enzym Cas9 wird von einem kurzen RNA-Schnipsel präzise an Stellen in der DNA geführt und durchschneidet sie dort. Dadurch können Gene zerstört oder neue Sequenzen eingeführt werden. CRISPR-Cas9 ist für Forschende sehr einfach anzuwenden, kostengünstig und äusserst präzise. Mit dem System können transgene Mäuse beispielsweise innerhalb weniger Wochen gezüchtet werden – bisher dauerte dies bis zu zwei Jahre. Daniel Anderson und seinem Forscherteam gelang es 2014 mit Hilfe dieser Methode, eine krankmachende Mutation in Mäusen zu korrigieren. Viele Forschende möchten eine klare Regelung, um den Missbrauch des Systems zu verhindern. Die schnelle Weiterentwicklung der Geschichte der Gene zeigt, dass die Regelungen im Umgang mit solchen Methoden auch dementsprechend schnell angepasst werden müssen.

Für die Entdeckung der CRISPR/Cas9 Methode wurde Jennifer A. Doudna und Emmanuelle Charpentier im Jahr 2020 der Nobelpreis in Chemie verliehen.