15.4: Transgene Organismen

Überblick

Transgene Organismen sind genetisch so verändert, dass sie Transgene—Gene von einer anderen Spezies—als Teil ihres Genoms tragen. Das Transgen kann entweder eine andere Version eines Gens des Organismus sein oder ein Gen, das in ihrem Genom nicht existiert. Transgene werden normalerweise durch rekombinante DNA und DNA-Klonierung erzeugt. Transgene Bakterien, Pflanzen und Tiere ermöglichen es den Wissenschaftlern, sich mit biologischen Fragen zu befassen und praktische Lösungen zu entwerfen.

Die Herstellung eines transgenen Organismus

Wissenschaftler beginnen den Prozess der genetischen Veränderung—Einführung eines Transgens in das Genom eines Organismus—durch die Auswahl einer geeigneten Technik. Es gibt verschiedene biologische, chemische und physikalische Methoden dafür. Eine übliche biologische Methode beinhaltet die virusvermittelte Einführung von Fremd-DNA in das Genom einer Wirtszelle, welche als Transduktion bezeichnet wird. Eine beliebte chemische Methode verwendet Kalziumphosphat (Ca₃(PO₄)₂). Bei dieser Methode bildet sich ein Ca₃(PO₄)₂/DNA-Präzipitat, die die DNA-Bindung an die Zelle und den Eintritt in die Zelle zu erleichtert. Physikalische Methoden wie die Mikroinjektion—eine Technik, die eine dünne Glasnadel verwendet, um genetisches Material mechanisch in Zellen einzufügen—die DNA wird dabei künstlich mit Kraft injiziert.

In der Zelle kann sich ein Transgen entweder zufällig oder an einer bestimmten Stelle im Genom mit Hilfe von DNA-Reparatur-Enzymen integrieren (d.h. rekombinieren). Diese transgenen Zellen multiplizieren und replizieren dann das Transgen als Teil ihres Genoms und exprimieren dadurch stabil das gewünschte Gen des Forschers. Ein Transgen kann sich auch nicht in das Genom integrieren und somit nur eine vorübergehende Expression des gewünschten Gens induzieren. In der Regel wird ein selektierbarer Marker (z.B. Antibiotikum-Resistenzgen) oder ein Reportergen (z.B. GFP) zu dem gewünschtem Gen gefügt, so dass Zellen mit erfolgreicher Integration des Transgens identifiziert werden können.

Transgene können in Tiere und Pflanzen eingefügt werden

Bei Tieren wird das Transgen typischerweise durch Mikroinjektion in ein frühes, befruchtetes Ei eingefügt. Die Hoffnung ist, dass das Transgen in die Keimzellen integriert wird—so dass es in allen sich entwickelnden Zellen des Organismus exprimiert wird. Darüber hinaus ist die Integration in die Keimzellen vererbbar, d.h. das Transgen kann durch Züchtung an Generationen weitergegeben werden. Die transgenen Tiere werden rückgekreuzt—die Nachkommen werden mit einem Elternteil gepaart—um Linie zu schaffen, die für das Transgen homozygot sind.

Die genetische Veränderung von Pflanzen verwendet routinemäßig eine biologische Methode, wie z.B. die Einführung von bakteriellen Vektoren, um fremde DNA in Zellen einzubringen. Rhizobium radiobacter (früher bekannt als Agrobacterium tumefaciens) ist ein bodenbewohnendes, pathogenes Bakterium, das Pflanzen infiziert und seine Plasmid-DNA in das Pflanzengenom integriert. Wissenschaftler haben R. radiobacter so modifiziert, dass die Plasmid-DNA ein Transgen tragen kann. Dafür werden pflanzliche Gewebeproben mit R. radiobacter kultiviert, um eine Infektion und die Integration des Transgens zu ermöglichen. Diese Gewebe werden dann in einem selektiven Nährmedium kultiviert, dass das Wachstum der Sprossen und Wurzeln induziert, bis die neue Pflanze in den Boden übertragen werden kann. Diese transgenen Pflanzen werden dann rückgekreuzt, um Linien mit ertragreichen, transgenen Pflanzen zu schaffen.

Die praktische Anwendung von transgenen Organismen

Transgene Organismen haben viele Anwendungen in Landwirtschaft, Wissenschaft, Industrie und Medizin. Beispielsweise wurden transgene Pflanzen produziert, die insektenresistent sind, um den Ertrag zu erhöhen und den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren (z.B. Bt-Mais); Bakterien wurden für die Verwendung in der biomedizinischen Forschung und zur Herstellung von Biokraftstoffen entwickelt. Transgene Tiere wurden zur Herstellung von Medikamenten—wie menschlichen Proteinen—und zur Herstellung von Modellsystem für menschliche Krankheiten verwendet. Wissenschaftler nutzen die Kraft der transgenen Pflanzen, Bakterien und Tiere, um die Genexpression zu erforschen, gewünschte Genprodukte zu erzeugen oder wertvolle Eigenschaften zu fördern.