Rekombinante DNA-Technologie
Rekombinante DNA-Technologie
Alle Organismen auf der Erde haben sich aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt, so dass alle Organismen die DNA als Vererbungsmolekül verwenden. Auf chemischer Ebene ist die DNA die gleiche, egal ob sie von einer mikroskopisch kleinen Bakterie oder einem Blauwal stammt. Folglich kann DNA aus verschiedenen Organismen „ausgeschnitten und zusammengefügt“ werden, was zu „rekombinanter DNA“ führt. Das erste rekombinante DNA-Molekül wurde 1972 von dem Stanford-Forscher Paul Berg hergestellt. Berg fügte DNA-Fragmente aus zwei verschiedenen Viren mit Hilfe bestimmter Enzyme zusammen: Restriktionsenzyme und Ligase. Restriktionsenzyme (wie EcoR1 in der Abbildung unten) sind wie „molekulare Scheren“, die die DNA an bestimmten Sequenzen schneiden. Wird die DNA aus den verschiedenen Quellen mit demselben Restriktionsenzym geschnitten, können die abgeschnittenen Enden miteinander verbunden und anschließend durch das Enzym Ligase zu einem zusammenhängenden DNA-Strang verschlossen werden. 1973 wurde der erste Organismus, der rekombinante DNA enthielt, von Herb Boyer (UCSF) und Stanley Cohen (Stanford University) entwickelt. Gemeinsam schleusten sie ein Antibiotikaresistenzgen in E.coli-Bakterien ein. Sie produzierten auch Bakterien, die Gene aus der Kröte Xenopus laevis enthielten, was zeigte, dass DNA aus sehr unterschiedlichen Arten zusammengefügt werden kann. Paul Berg erhielt 1980 den Nobelpreis für Chemie „für seine grundlegenden Studien über die Biochemie der Nukleinsäuren, insbesondere der rekombinanten DNA“.
Die Fähigkeit, DNA-Moleküle auszuschneiden, einzufügen und zu kopieren, war nicht nur ein Wendepunkt in der wissenschaftlichen Forschung, sondern brachte auch eine ganze Industrie hervor, die auf der Gentechnik aufbaut. Genetech, das erste Biotechnologieunternehmen, wurde 1976 von Herb Boyer gegründet. 1982 genehmigte die FDA das erste erfolgreiche Produkt von Genetech, eine synthetische Form von menschlichem Insulin, das von Bakterien produziert wurde, die so manipuliert worden waren, dass sie das Insulin-Gen enthielten.
Heute wird die rekombinante DNA-Technologie in Forschungslabors auf der ganzen Welt ausgiebig genutzt, um unzählige Fragen über Genstruktur, Funktion, Expressionsmuster, Regulierung und vieles mehr zu untersuchen. Eine weit verbreitete Anwendung ist die gentechnische Herstellung von „Knock-out“-Tieren (in der Regel Mäuse), die eine funktionsunfähige Form eines bestimmten Gens von Interesse enthalten. Ziel solcher Experimente ist es, die Funktion des Gens zu bestimmen, indem die Folgen des fehlenden Gens analysiert werden. Knockout-Mäuse werden zur Beantwortung von Fragen in vielen verschiedenen Bereichen erzeugt, sie sind jedoch besonders nützlich in der Entwicklungsbiologie und haben zu einem Verständnis einiger der wesentlichen Gene geführt, die an der Entwicklung eines Organismus aus einer einzigen befruchteten Eizelle beteiligt sind.
Rekombinante DNA-Techniken sind auch ein Eckpfeiler der Biotechnologieindustrie. Ein Beispiel ist die Erzeugung von gentechnisch veränderten Pflanzen, die ein Insektengift namens Bt-Toxin produzieren. Das Bt-Gen stammt von einem Bakterium namens Bacillus thuringiensis und produziert ein Toxin, das die Darmfunktion der Larven (Raupen) bestimmter Insekten, die Pflanzenschädlinge sind, stört. Das Gen, das das Bt-Toxin produziert, wird mit Hilfe der rekombinanten DNA-Technologie in solche Pflanzen eingebracht und führt zu einer selektiven Tötung von Insekten, die Pflanzen fressen. Diese Entwicklung hatte erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen, reduzierte die jährlichen Ausgaben für Pestizide und erhöhte die Langlebigkeit und den Erfolg verschiedener Nutzpflanzen.
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