Wichtige Methoden der Gentechnik

Die Gentechnik beschäftigt sich mit den Grundlagen und Verfahren zur Analyse, Isolation, Veränderung und Übertragung von Genen.


Hintergrund

In der Gentechnologie oder Gentechnik haben sich mittlerweile drei große Anwendungsbereiche etabliert:

  • Die weiße Gentechnik (Industrie)
  • Die rote Gentechnik (Pharmazie und Medizin)
  • Die grüne Gentechnik (Agrarwirtschaft)

Wegen ihrer Erfolge sind die Methoden der Gentechnik heute oft nicht mehr wegzudenken.

Werkzeuge

In der Gentechnik werden drei wichtige "Werkzeuge" genutzt:

  • Restriktionsenzyme: Enzyme schneiden die DNA an festgelegten Stellen und hinterlassen sticky-ends

  • Ligasen: Verknüpfen sticky-ends von DNA-Fragmenten

  • Vektoren: Übertragen als Gentaxis Fremd-DNA in Organismen, häufig durch Plasmide (kleine ringförmige DNA-Stücke) oder Viren

Methoden

In der Wissenschaft haben sich einige Methoden zu unterschiedlichen Zwecken entwickelt:

Klonierung

Klonierung ist die gezielte identische Vervielfältigung bestimmter DNA-Fragmente.

  • Das DNA-Fragment wird in Vektoren eingefügt
  • Die Vektoren werden in einen Wirt eingeschleußt (oft Hefe oder Bakterien)
  • Die Vektor-DNA wird in das Genom des Wirts eingebaut und vervielfältigt

Das ist aber nicht bei allen Wirtszellen erfolgreich.

Bei der Selektion werden deshalb diejenigen Wirtszellen aussortiert, welche die Vektor-DNA nicht eingebaut haben.

  • Das Plasmid enthält nämlich auch ein Resistenzgen für ein Antibiotikum
  • Die Wirtszellen, die das Plasmid aufgenommen haben, entwickeln deshalb auch eine Antibiotika-Resistenz
  • Die Bakterien werden auf Platten mit dem entsprechenden Antibiotikum aufgetragen
  • Nur die Bakterien, die den Vektor eingebaut haben, überleben und bilden Kolonien

PCR

  • Eine Methode zur gezielten Vervielfältigung bestimmter DNA-Abschnitte
  • Sie wird oft vor anderen Methoden durchgeführt, denn:
  • Eine größere Menge von DNA erhöht die Erfolgschance vieler Gentechnik-Methoden
Hier wird das Grundprinzip der PCR, also die exponentielle Vermehrung veranschaulicht. Aus einem DNA-Strang werden zwei, aus zwei werden vier und aus vier werden acht.

Genetischer Fingerabdruck

Beim Menschen gibt es nicht-codierende DNA-Abschnitte, die sich tandemartig wiederholen. Diese Blöcke nennt man short tandem repeats (STR)

  • Man kann verschiedene Genorte für STRs kombinieren
  • Für diese Kombination ergibt sich quasi ein einzigartiges Muster
  • Dadurch erhält man den gentischen Fingerabdruck

Das wichtige: die Anzahl der Wiederholungen pro STR kann vererbt werden.

Hier wird das Prinzip des genetischen Fingerabdrucks gezeigt. Links werden zwei DNA-Stränge, einmal von Jan und einmal von Janina, verglichen. Das STR AATG kommt bei ihnen auf diesen Abschnitten unterschiedlich oft vor. Durch eine Gelelektrophorese kann man die Anzahl der STRs herausfinden.

Gelektrophorese

Die Gelelektrophorese ist ein Verfahren zur Auftrennung von Nukleinsäuren. Sie verläuft nach folgendem Prinzip:

  • In einer Apparatur liegt ein Gel mit Taschen und es wird ein Plus- und Minus-Pol gebildet
  • Negativ geladene Moleküle (z.B. Nukleinsäuren) wandern zum Plus-Pol
  • Positiv geladene Moleküle wandern zum Minus-Pol
  • DNA-Fragmente werden durch einen Farbstoff gefärbt
  • Bei der Wanderung der Moleküle entstehen Banden

Je größer das Molekül, desto langsamer wandert es und desto weniger Banden entstehen.

Hier erkennt man eine Gelelektrophorese-Apparatur mit beispielhaften Proben. Ganz rechts hat man einen Marker, der quasi für jede Bandengröße eine Markierung zeigt. Anhand des Markers kann man bestimmen, wie die Proben 1 und 2 verlaufen sind. Probe hat wenige aber größere DNA-Fragmente, weil es nur drei große Banden mittig und relativ nah am Ausgangspunkt des Gels hat. Probe 2 hat vier kleinere Banden, die aber weiter gelaufen sind und wo die DNA-Fragmente dementsprechend kleiner sind.
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