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

Was ist Biotechnologie? Was ist Gentechnik? Definition Biotechnologie: Definition Gentechnik: 01.08.2005, © Peer Millauer 2

Vielfalt der Anwendungsgebiete 01.08.2005, © Peer Millauer 3

Zellen, Gene, Proteine 01.08.2005, © Peer Millauer 4

Die Arbeit im Labor 01.08.2005, © Peer Millauer 5

Biotechnologie in der Forschung Humangenomforschung- eine Jahrhundertleistung 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 . 01.08.2005, © Peer Millauer 6

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 01.08.2005, © Peer Millauer 7

Entzifferung der Basenabfolge eines Chromosoms 01.08.2005, © Peer Millauer 8

Gendiagnostik Ziele 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 ) 01.08.2005, © Peer Millauer 9

Gendiagnostik Funktionsweisen 01.08.2005, © Peer Millauer 10

Gendiagnostik Anwendungsgebiete 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) 01.08.2005, © Peer Millauer 11

Humangenetische Testverfahren Gendiagnostik 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 01.08.2005, © Peer Millauer 12

Gendefekte beim Menschen 01.08.2005, © Peer Millauer 13

Das Karyogramm des Menschen 01.08.2005, © Peer Millauer 14

Gendiagnostik Pro und Contra 01.08.2005, © Peer Millauer 15

Pharmakogenetik Ziele Neue Wirk- und Impfstoffe finden und verfügbar machen Wirksamkeit und Verträglichkeit steigern Arzneimittel umweltfreundlicher und mit weniger Aufwand herstellen 01.08.2005, © Peer Millauer 16

Beispiele gentechnisch produzierter Arzneimittel Pharmakogenetik Beispiele gentechnisch produzierter Arzneimittel Erythroprotein (EPO): Blutarmut, Doping Humaninsulin: Zuckerkrankheit Interferon: Virus- und Krebstherapie Hepatitis B – Antigen: Vorbeugung gegen Hepatitis 01.08.2005, © Peer Millauer 17

Pharmakogenetik Verfahrensweisen Gene für Eiweißstoffe, aus denen die Arzneimittel gewonnen werden, werden in Bakterien oder höhere Zellen übertragen, die diese dann in größeren Massen produzieren 01.08.2005, © Peer Millauer 18

Pharmakogenetik Verfahrensweisen 01.08.2005, © Peer Millauer 19

Pharmakogenetik Diskussion 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 01.08.2005, © Peer Millauer 20

Gentherapie Methoden Somatische Gentherapie Keimbahn - Gentherapie Ad 1) : Erlaubt, weil nur Körperzellen therapiert werden, nicht vererbbar. Ad 2) : Verboten, weil Ei und Samenzellen therapiert werden, vererbbar! 01.08.2005, © Peer Millauer 21

Gentherapie Ziele Heilung von Krankheiten und Veränderung von Eigenschaften auf genetischer Ebene, d.h. durch Einpflanzen von oder Manipulation des genetischen Materials eines Menschen 01.08.2005, © Peer Millauer 22

Gentherapie Funktionsweisen 01.08.2005, © Peer Millauer 23

Gentherapie Anwendungsgebiete Behandlung von Krebs, Infektionskrankheiten, Herz – Kreislauferkrankungen, Erbleiden, etc. 01.08.2005, © Peer Millauer 24

Gentherapie Diskussion 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) 01.08.2005, © Peer Millauer 25

Stammzellforschung Definition Ziele 01.08.2005, © Peer Millauer 26

Stammzellforschung Funktion Anwendung 01.08.2005, © Peer Millauer 27

Stammzellforschung 01.08.2005, © Peer Millauer 28

Stammzellforschung Diskussion 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. 01.08.2005, © Peer Millauer 29

Tissue Engineering Definition 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 Ziele 01.08.2005, © Peer Millauer 30

Tissue Engineering Funktionsweisen 01.08.2005, © Peer Millauer 31

Tissue Engineering 01.08.2005, © Peer Millauer 32

Tissue Engineering Diskussion 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 01.08.2005, © Peer Millauer 33

Xenotransplantation Definition Verfahren Einsatz tierischer Organe für die Transplantationsmedizin, insbesondere das Hausschwein kommt als Organspender in Betracht Verfahren Züchtung von transgenen Schweinen deren Zelloberflächen best. Organe einen menschlichen Eiweißstoff enthalten. Nach Transplantationen in Menschenaffen blieb eine Abstoßungsreaktion aus. 01.08.2005, © Peer Millauer 34

Xenotransplantation Risiken Ungewolltes Einschleusen von tierischen Krankheitserregern, z.B. Retroviren. Gefahr der Durchbrechung der Artenbarriere dieser Viren! Berüchtigtes Beispiel: Das AIDS – Virus aktuelle Gefahr: Das Vogelgrippenvirus in Asien 01.08.2005, © Peer Millauer 35

Hypothetisches Beispiel Xenotransplantation Hypothetisches Beispiel 01.08.2005, © Peer Millauer 36

Pflanzenzüchtung Ziele Ertragssteigerung Höhere Widerstandsfähigkeit Qualitätsverbesserung Kurze Generationszeit 01.08.2005, © Peer Millauer 37

Pflanzenzüchtung Methoden Kombinationszüchtung (das Kombinieren von positiven Eigenschaften durch Kreuzung) Mutationszüchtung (das Hervorrufen gewollter Mutationen durch Chemikalien oder Strahlung und deren Weitervererbung) 01.08.2005, © Peer Millauer 38

Pflanzenzüchtung Methodenbeispiel 01.08.2005, © Peer Millauer 39

Die Herstellung transgener Pflanzen Biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung Die Herstellung transgener Pflanzen 3 mögliche Verfahrensweisen zur Einbringung von Genen in Pflanzen: Über Plasmide (Agrobacterium tumefaciens) Über eine Partikelkanone Über Injektion in Protoplasten 01.08.2005, © Peer Millauer 40

Biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung 01.08.2005, © Peer Millauer 41

Biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung Ziele Virusresistenz Pilzresistenz Insektenresistenz (Beispiel: Bt – Toxin) Herbizidtoleranz Qualitätssteigerung ( angereicherter Reis ) Rohstoff für die Energieversorgung (Rapsöl) 01.08.2005, © Peer Millauer 42

Biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung Sicherheitsaspekte 01.08.2005, © Peer Millauer 43

Biotechnologische Methoden in der Pflanzenzüchtung Anbaustatistik 01.08.2005, © Peer Millauer 44

Transgene Pflanzen Diskussion 01.08.2005, © Peer Millauer 45

Reproduktionstechniken Biotechnologische Methoden in der Tierzüchtung Reproduktionstechniken 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) 01.08.2005, © Peer Millauer 46

Klonierung durch Kerntransfer Biotechnologische Methoden in der Tierzüchtung Klonierung durch Kerntransfer Bestätigung dieser Methode auch an anderen Tieren: Rind, Ziege, Maus, Schwein. Jedoch für Tierzucht wenig effektiv, da nur jedes 250 Tier lebensfähig ist. 01.08.2005, © Peer Millauer 47

Biotechnologische Methoden in der Tierzüchtung Transgene Tiere 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 01.08.2005, © Peer Millauer 48