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Was ist Gentechnik?
Unter Gentechnik versteht man die Veränderung des Erbguts von Organismen. Dabei werden technisch Gene eingefügt, entfernt oder verändert, um gewünschte Merkmale hervorzurufen oder unerwünschte Eigenschaften zu eliminieren. Gentechnik wird in Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft und Forschung eingesetzt, um z. B. Medikamente herzustellen, Pflanzen widerstandsfähiger zu machen oder die Funktionen von Genen zu untersuchen.
Der Begriff Gentechnik ist in der EU nicht gesetzlich definiert.
Was ist ein gentechnisch veränderter Organismus (GVO)?
Ein genetisch veränderter Organismus (GVO) ist entsprechend der Richtlinie 2001/18/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 12. März 2001 (Freisetzungsrichtlinie) definiert als: „(…) ein Organismus mit Ausnahme des Menschen, dessen genetisches Material so verändert worden ist, wie es auf natürliche Weise durch Kreuzen und/oder natürliche Rekombination nicht möglich ist“: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/de/ALL/?uri=CELEX%3A32001L0018
Was sind Neue Genomische Techniken (NGT)
Der Begriff Neue Genomische Techniken (NGT) umfasst molekularbiologische Verfahren, die eine zielgerichtete Veränderung des Erbguts erlauben. Hierbei werden spezifische, zuvor ausgewählte, Sequenzabschnitte in Genen durch eine Leit-RNA (CRISPR/-Cas) oder Proteine (TALEN) angesteuert und die DNA an dieser ausgewählten Sequenzstelle geschnitten. Je nach dem weiteren Vorgehen repariert das Zellsystem den Schnitt (SDN-1), durch Zugabe eines kurzkettigen Oligonukleotid-Primers werden ein oder einzeln Nukleoide ausgetauscht (SDN-2) oder langkettige Oligonukleotide bis zu funktionellen Genen eingebaut (SDN-3). Diese Werkzeuge werden auch unter den Begriffen Genscheren, Genomeditierung, Genome Editing oder gezielte Mutagenese zusammengefasst. Die neuen Verfahren sind keine Erfindung des Menschen, sondern basieren auf uralten evolutionären Mechanismen (Immunsystem von Bakterien) die aus der Natur stammen und kontinuierlich weiterentwickelt werden.
Welche NGT gibt es?
Die vorrangigen Techniken sind:
- CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas (CRISPR-associated protein): CRISPR sind sich wiederholende DNA-Sequenzen, die im Erbgut vieler Bakterien auftreten und im Abwehrsystem der Bakterien eine wichtige Rolle spielen. Dringt ein Virus in ein Bakterium ein, baut die Bakterienzelle Teile der Virus-DNA in ihre eigene CRISPR-Struktur ein. Gelangt nun erneut ein Virus mit dieser DNA in das Bakterium, wird es mit Hilfe der CRISPR-Abschnitte erkannt. Das Cas-Enzym dockt an einem erkannten DNA-Abschnitt an und zerschneidet virale DNA (Nuklease Funktion). Das Virus wird dadurch inaktiviert.
CRISPR/Cas ist die meistgenutzte Methode, um DNA gezielt an einer bestimmten Stelle (Sequenz innerhalb einer bestimmten Basenfolge) zu schneiden.
- TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases): Diese Technik nutzt Proteine, um spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen und zu schneiden.
- ZFN (Zinkfinger-Nukleasen) Eine ältere, aber immer noch verwendete Methode der gezielten Genom-Editierung. ZFN verwendet sogenannte Zinkfingerproteine, um DNA an bestimmten Stellen zu schneiden, was gezielte Veränderungen ermöglicht.
- ODM (Oligonucleotide-Directed Mutagenesis): Eine Technik, bei der kurze synthetische DNA-Sequenzen in die Zelle eingebracht werden, um gezielt eine Mutation an einer bestimmten Stelle im Genom zu erzeugen. Es verändert nur eine sehr kleine Region der DNA.
- RdDM (RNA-abhängige DNA-Methylierung) Hierbei handelt es sich um eine Methode, die RNA verwendet, um bestimmte Gene „stummzuschalten“, ohne die DNA selbst zu verändern. Diese Technik nutzt epigenetische Mechanismen.
- Genomische Selektion mit markergestützter Züchtung: Diese Technik kombiniert molekulare Marker mit Züchtungsprogrammen, um gezielt gewünschte Gene zu identifizieren und zu verstärken, ohne das Erbgut direkt zu verändern.
- Multiplex-Genom-Editing: eine Technik, bei der mehrere Gene gleichzeitig durch sogenannte Guide-RNAs (gRNAs) verändert werden. Jede gRNA ist dabei wie eine „Adresse“, die das CRISPR-Cas-System zu einem bestimmten Ort im Genom führt, an dem dann ein Schnitt vorgenommen wird. Wenn man mehrere gRNAs einsetzt, können gleichzeitig mehrere Stellen im Genom angesteuert und verändert werden.
Gibt es bei der Funktionsweise der NGT ein Grundprinzip?
Wie beim Editieren von Texten geht es bei der Genomeditierung/den NGT darum, DNA zu bearbeiten. Die Begriffe stehen für eine Reihe von Methoden, die es ermöglichen, gezielte Mutationen in ausgewählten DNA-Abschnitten zu erzeugen.
Vom Prinzip her lassen sich die drei gängigsten Methoden –und CRISPR/Cas, TALEN und ZFN – in drei identische Schritte unterteilen: (1) Suchen und Finden, (2) Schneiden und (3) Reparieren.
1. Suchen und Finden
Das erste Prinzip der NGT ist die präzise Erkennung der Ziel-DNA-Stelle. Dazu nutzen Werkzeuge wie CRISPR/Cas einen „Guide“-RNA-Strang, der spezifisch an die gewünschte DNA-Sequenz bindet. Diese RNA-Sequenz „sucht“ das Zielgen im Genom und dockt genau an der passenden Stelle an, wodurch eine hohe Genauigkeit gewährleistet wird.
2. Schneiden
Sobald die Ziel-DNA-Stelle gefunden ist, wird diese gezielt geschnitten. Bei CRISPR/Cas geschieht dies durch das Cas-Protein, das wie eine molekulare Schere funktioniert. Der Schnitt erfolgt an genau der vorher festgelegten Stelle und erzeugt einen Doppelstrangbruch in der DNA. Dieser Schnitt aktiviert den natürlichen Reparaturmechanismus der Zelle.
3. Reparieren
Die eigentliche Veränderung der DNA kommt aber erst jetzt. Es beginnt damit, dass zelleigene Reparatur-Enzyme versuchen, den Schaden an der DNA zu beheben. Da dieser Mechanismus fehleranfällig ist, können dadurch beispielsweise Punktmutationen entstehen, die das Gen inaktivieren. Es können aber auch einzelne oder mehrere Basen gelöscht (Deletion) oder neue DNA-Bausteine (bis hin zu größeren DNA-Stücken bei gleichzeitiger Zugabe von synthetischen DNA-Fragmenten als „Reparaturvorlage“) hinzugefügt werden (Insertion).
Was bedeutet CRISPR/Cas?
Wie bei allen anderen NGT auch, handelt es sich bei CRISPR/Cas um eine molekularbiologische Methode, mit der das Erbgut gezielt verändert werden kann. CRISPR/Cas ist die bekannteste und meistgenutzte NGT.
Die Methode ermöglicht es, punktgenaue Veränderungen (Mutationen) im Erbgut zu erzeugen. Gene können an- oder ausgeschaltet oder auch eingefügt werden. Die Erbinformation wird so präzise bearbeitet, als wäre sie ein Text in einem Schreibprogramm – Buchstabe für Buchstabe (Genome Editing). Die Technologie erlaubt es, simpel und mit hoher Präzision, Erbinformation aus dem Genom zu schneiden, neue DNA einzufügen oder die Aktivität gewünschter Gene zu verändern. CRISPR/Cas ist eine Art Immunsystem, mit dem sich Bakterien gegen für sie schädliche Viren wehren.
Was ist eine Mutation?
Eine Mutation ist eine Veränderung im Erbgut (in der DNA oder RNA) eines Organismus. Mutationen können spontan auftreten oder durch äußere Einflüsse wie Strahlung, Chemikalien verursacht werden. Sie führen zu Brüchen im DNA-Strang. Bei der folgenden zelleigenen Reparatur entstehen Abweichungen von der ursprünglichen DNA-Sequenzabfolge, bedingt durch Deletionen oder Insertionen von Oligonukleotiden. Bei Pflanzen treten von einer Generation zu nächsten mehrere Tausend Mutationen auf.
Mutationen können verschiedene Auswirkungen haben: Sie können neutral sein, das heißt, sie haben keine Auswirkung auf den Organismus; schädlich sein, indem sie Krankheiten oder Funktionsstörungen verursachen; oder vorteilhaft sein und zum Beispiel die Anpassungsfähigkeit eines Organismus verbessern.
Was versteht man unter Mutagenese?
Unter dem Begriff Mutagenese werden alle Verfahren zusammengefasst, mit denen, anders als bei der Transgenese, das genetische Material von Organismen ohne die Einführung fremder DNA verändert wird. Sie beruhen auf der Wirkung mutagener Chemikalien oder Strahlung, wie zum Beispiel Gamma- oder UV-Strahlung. Diese erhöhen das Auftreten von Veränderungen im Erbgut. – Wie bei natürlich auftretenden Mutationen erfolgt dies an zufälligen Stellen im Erbgut.
Was sind in vivo und in vitro angewandte Mutagenesetechniken?
Beide Mutagenese-Verfahren erzeugen ungerichtet Mutationen, die Art der Mutationen und ihre Auswirkungen unterscheiden sich jedoch nicht. Unterschiedlich ist lediglich, dass bei in-vivo-Verfahren intakte Pflanzen und bei in-vitro-Verfahren isolierte Zellen oder Gewebe verwendet werden, aus denen wieder Pflanzen regeneriert werden.
Was ist der Unterschied zwischen klassischer Mutagenese und der Mutagenese durch NGT?
Der Hauptunterschied zwischen der durch NGT induzierten und der klassischer Mutagenese liegt in der Präzision und der Art und Weise, wie genetische Veränderungen herbeigeführt werden.
NGT ermöglichen es, gezielt Gene im Genom zu verändern. Diese Methoden sind sehr präzise und können gezielte Änderungen/Mutationen an bestimmten Stellen im DNA-Strang vornehmen.
Klassische Mutagenese hingegen umfasst Methoden, die unspezifisch sind, wie die Verwendung von chemischen Substanzen oder Strahlung. Diese Verfahren können zu einer Vielzahl von zufälligen Veränderungen führen,
Zusammengefasst: NGT/ Genome Editing ist präzise und gezielt, während klassische Mutagenese ungezielte und zufällige Veränderungen im Genom hervorruft.
Macht es einen Unterschied, ob eine Mutation durch Behandlung mit mutagenen Chemikalien oder CRISPR ausgelöst wird?
Eine Mutation ist eine Mutation. So gibt es auch keine Methode, die Mutationen, die durch Strahlung, chemische Mutagenese oder CRISPR entstanden sind, eindeutig voneinander unterscheiden kann.
Was ist der Unterschied zwischen gentechnischen Verfahren und NGT?
Bei der klassischen Gentechnik wird meist „fremdes“ genetisches Material in das Erbgut eines Organismus (z.B. eine Pflanze) eingeführt. An welcher Stelle es in das Genom integriert wird, ist oft vom Zufall abhängig.
NGT ermöglichen es, das Erbgut – oder genauer: den DNA-Doppelstrang – an einer bestimmten, vorab ausgewählten Stelle zu schneiden. Anschließend wird die Schnittstelle wieder repariert, oft mit kleinen Fehlern. So kann das betroffene Gen abgeschaltet oder einzelne DNA-Bausteine umgeschrieben werden. Es handelt sich um eine punktuelle Mutation, die auch zufällig unter natürlichen Bedingungen hätte entstehen können.
Sind Organismen, die mithilfe von NGT erzeugt wurden, GVO?
Der Europäische Gerichtshof (EuGH) hat am 25.7.2018 ein Urteil gefällt: Mittels Genome Editing/ NGT erzeugte Organismen sind genetisch veränderte Organismen (GVO) im Sinne der Richtlinie 2001/18/EG und unterliegen somit der Gentechnikregulierung. NGT gab es 2001 als die Richtlinie 2001/18/EG verabschiedet wurde, noch nicht. Der EuGH erachtete sie als Mutageneseverfahren, die nicht von der Ausnahmeregelung der Freisetzungsrichtline 2001/18/EG erfasst werden.
Wie sicher sind NGT im Vergleich zu traditioneller Züchtung?
Im Vergleich zu traditionellen Züchtungsmethoden wie Kreuzen und Selektieren sind NGT deutlich präziser und schneller. Beim traditionellen Kreuzen werden große Teile des Genoms zufällig kombiniert, was zu unerwünschten Eigenschaften und langen Selektionsprozessen führen kann. NGT ermöglichen hingegen gezielte, punktuelle Änderungen direkt im Genom Dies reduziert die Anzahl der Generationen, die zur Stabilisierung erwünschter Eigenschaften benötigt werden, und minimiert unvorhergesehene Effekte.
Wie sicher sind NGT im Vergleich zur Gentechnik?
NGT sind präziser als klassische Gentechnik, da sie gezielt Gene bearbeiten. Dadurch sind die Veränderungen vergleichbar mit natürlichen Mutationen und führen seltener zu unvorhersehbaren Effekten.
Wie sicher sind NGT in Vergleich zu konventionellen Züchtungsverfahren wie klassischer Mutagenese?
Während bei der Mutagenese zufällige Mutationen durch Chemikalien oder Strahlung induziert werden, die zu unvorhersehbaren Genveränderungen führen können, ermöglichen NGT wie CRISPR gezielte, punktuelle Genveränderungen. Dadurch ist das Risiko unerwünschter Nebeneffekte bei NGT geringer, da spezifische DNA-Stellen ohne zufällige Streuung verändert werden. Insgesamt gelten NGT daher als präziser und sicherer als die traditionell eingesetzte Mutagenese.
Was sind Off Target Effekte?
Off-Target-Effekte sind unbeabsichtigte Änderungen in der DNA einer Pflanze, die außerhalb der beabsichtigten Zielregion im Genom liegen.
Sie können bei allen Züchtungsmethoden auftreten, unabhängig davon, ob es sich um traditionelle oder moderne Verfahren handelt. Kurz gesagt: Off-Target-Effekte sind ein allgemeines Phänomen der Züchtung, da bei jeder Methode unvorhergesehene genetische Veränderungen auftreten können – der Unterschied liegt eher in der Häufigkeit und Präzision der jeweiligen Methode.
Treten Off-Target-Effekte bei NGT häufiger auf als bei herkömmlichen Züchtungsmethoden?
Off-Target-Effekte treten bei NGT seltener auf, weil diese Methoden deutlich gezielter und präziser arbeiten als herkömmliche Züchtungsmethoden. NGT erlauben es, sehr spezifische genetische Veränderungen vorzunehmen, während traditionelle Methoden wie Kreuzung oder Mutagenese viele zufällige und unvorhersehbare Mutationen im Genom hervorrufen, die zu unerwünschten Nebenwirkungen führen können. Die kontinuierliche Verbesserung der Genomeditierungswerkzeuge und Analysetechniken hilft zudem, die Häufigkeit von Off-Target-Effekten weiter zu minimieren.
Verfügen NGT über eine „besondere Eingriffstiefe“?
Dies ist ein Phantasiebegriff, der nicht wissenschaftlich untermauert ist und auch in der Wissenschaft nicht genutzt wird. Es handelt sich eher um metaphorischen Ausdruck, der in populärwissenschaftlichen Diskussionen oder der allgemeinen Kommunikation Verwendung findet.
In der Wissenschaft wird präziser über die Genomeditierung, die Reduzierung von Off-Target-Effekten und die Spezifität der Werkzeuge gesprochen, anstatt eine solche metaphorische Formulierung wie „Eingriffstiefe“ zu verwenden.
Ermöglichen NGT die Erbinformation an Stellen zu verändern, die sonst durch natürliche Mechanismen vor Veränderungen geschützt sind?
Es ist richtig, dass verschiedene Bereiche im Genom mit unterschiedlicher Häufigkeit mutieren. Das bedeutet aber nicht, dass es Bereiche gibt, die vollständig vor Mutationen geschützt sind: Diese Aussage basiert möglicherweise auf einer Fehlinterpretation der Ergebnisse der Studie von Monroe et al https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6
Hinterlassen NGT einen spezifischen Fingerabdruck im Erbgut?
NGT hinterlassen keinen spezifischen Fingerabdruck im Erbgut. Die durch NGT ausgelösten Mutationen lassen sich nicht von solchen zu unterscheiden, die auf natürlichem Wege oder durch traditionelle Methoden wie chemische Mutagenese entstehen.
Was ist Epigenetik?
Die Epigenetik erklärt den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Zelleigenschaften und den Aktivitätszustand von Genen und beschreibt so mögliche Wirkmechanismen auf zellulärer Ebene.
Der Begriff ist zusammengesetzt aus den Wörtern Genetik und Epigenese, also der Entwicklung eines Lebewesens. Die Wissenschaft der Epigenetik erforscht jene (Umwelt-)Faktoren, welche die Aktivität der Gene regulieren und deren Funktion individuell regulieren. Dabei entstehen keine Mutationen, das heißt: Die Gensequenz (die Reihenfolge der Basen A, T, C und G) wird nicht verändert.
Was ist ein „epigenetischer Fingerabdruck“?
Der epigenetische Fingerabdruck ist eine Art „Muster“ oder „Abdruck“, der durch chemische Veränderungen an der DNA entsteht, ohne dass die eigentliche DNA-Sequenz verändert wird. Diese Veränderungen, wie zum Beispiel DNA-Methylierung, beeinflussen, welche Gene aktiv sind und welche nicht. Da dieser Fingerabdruck individuell und oft stabil über die Zeit ist, spiegelt er Einflüsse wie Umweltfaktoren, Ernährung oder Stress wider und kann bei der Untersuchung von Krankheiten oder der persönlichen Gesundheitsgeschichte helfen.
Was versteht man unter dem Begriff “History of safe use (HSU)?”
Eine History of Safe Use (HSU), eine „Historie der sicheren Nutzung“, bezieht sich auf den Nachweis, dass ein Produkt, eine Substanz oder ein Organismus über einen langen Zeitraum hinweg sicher verwendet wurde, ohne gesundheitliche oder ökologische Risiken darzustellen. In der Landwirtschaft wird eine HSU verwendet, um zu zeigen, dass bestimmte Pflanzen, Züchtungen oder Inhaltsstoffe seit Generationen sicher konsumiert oder angebaut wurden und somit als unbedenklich gelten.
Im Zusammenhang mit Pflanzen bedeutet eine HSU, dass eine bestimmte Pflanze über einen langen Zeitraum, oft Jahrhunderte, in verschiedenen Kulturen als Lebens- oder Futtermittel genutzt wurde. Die HSU umfasst dabei sowohl direkte Effekte auf die menschliche Gesundheit (z. B. keine toxischen Effekte) als auch ökologische Effekte, wie eine stabile Integration in das Ökosystem, ohne andere Arten zu verdrängen oder das Gleichgewicht zu stören.