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15.1: Was ist Gentechnik?
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What is Genetic Engineering?
 
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15.1: What is Genetic Engineering?

15.1: Was ist Gentechnik?

Overview

Genetic engineering is the process of modifying an organism’s DNA to introduce new, desirable traits. Many organisms, from bacteria to plants and animals, have been genetically modified for academic, medical, agricultural, and industrial purposes. While genetic engineering has definite benefits, ethical concerns surround modifying humans and our food supply.

Scientists can Deliberately Modify an Organism’s Genome

Genetic engineering is possible because the genetic code—the way information is encoded by DNA—and the structure of DNA are universal among all life forms. As a result, an organism’s genetic code may be modified in several ways.

The nucleotide sequence may be selectively edited by using techniques such as the CRISPR/Cas9 system. Known as the "molecular scissors," the CRISPR/Cas9 system is an innate, prokaryotic immune response that has been co-opted for editing genetic information.

A gene may also be removed from an organism to create a “knockout,” or introduced to create a “knockin,” through a process called gene targeting. This method relies on homologous recombination—genetic exchange between DNA molecules that share an extended region with similar sequences—to modify an endogenous gene.

Scientists can also insert a gene from one organism into the genome of another, resulting in a transgenic organism. Generally, DNA combined from different sources is called recombinant DNA. The organism that receives that DNA is considered a genetically modified organism or GMO.

Genetic Engineering Impacts Human Health and Well-Being

Genome editing has significantly impacted scientific research, agriculture, industry, and medicine. Molecular biology research often inserts transgenes—foreign genes—into bacteria and viruses to study gene function and expression. Bacteria were the first organisms to be genetically engineered. Scientists introduced the human insulin gene to produce synthetic insulin that is used by people with diabetes.

A technique called gene therapy allows a new gene to be inserted into a person so that the protein it encodes can be expressed within their cells. Gene therapy provides a cure or treatment for some serious and otherwise untreatable genetic diseases. Scientists modified viruses to deliver new genes to host cells. These customized viruses can infect diseased cells and insert a correct copy of a defective gene, treating human disorders such as Severe Combined Immunodeficiency (SCID).

Although many gene therapy treatments use modified viruses, the CRISPR/Cas9 system has become an increasingly popular technique. The CRISPR/Cas9 system cuts DNA by using a guide—RNA sequences known as CRISPR—to direct the “molecular scissors”—an enzyme called Cas9—to specific sites in the genome. Scientists use this molecular tool to add, remove, or alter genetic material. CRISPR/Cas9 has been used in mouse models to correct errors in genes that are responsible for Duchenne muscular dystrophy, Hepatitis B, cataracts, and cardiovascular disease.

While genetic engineering can yield new treatments for diseases, it can also be used for other practical purposes. Transgenic goats have been developed that produce spider silk in their milk for industrial use. In agriculture, some plants have been genetically modified to improve characteristics such as nutritional content and pest resistance. Recent and future advances in genetic engineering will likely continue to impact both human health and well-being.

Ethical Concerns Regarding Genetic Engineering

Genetic engineering has great potential, but where do we draw the line? Scientists and society must answer this question. Human genome editing, especially in germline cells, is a major ethical concern. Most gene therapies modify somatic cells, so genetic changes only affect the individual. Changes to a person’s germline, however, are also inherited by their offspring.

In 2018, a scientist shocked the world when he allegedly created the first babies genetically modified with CRISPR. He attempted to make the twin baby girls resistant to HIV by introducing an unstudied germline mutation. His actions sparked outrage and concern as scientists and the public grappled with what this meant for humankind. It remains unclear how this will affect the girls’ health, their future offspring, or the population.

Another concern is the use of foreign genetic material to improve the food supply. Plants are the most common genetically modified food source, with 28 countries growing nearly 450 million acres of GM crops globally. While there is enormous potential to secure food supply for a growing world population, scientifically sound, long-term studies are needed to address the concerns of GMO critics.

Überblick

Die Gentechnik ist der Prozess der Modifizierung der DNA eines Organismus, um neue, wünschenswerte Eigenschaften einzubauen. Organismen von Bakterien bis hin zu Pflanzen und Tieren, wurden bereits für akademische, medizinische, landwirtschaftliche und industrielle Zwecke genetisch modifiziert. Während die Gentechnik eindeutige Vorteile hat, gibt es gleichzeitig ethische Bedenken bezüglich der Modifizierung der menschlichen DNA und unserer Lebensmittelversorgung.

Wissenschaftler können das Genom eines Organismus gezielt modifizieren

Die Gentechnik ist durchführbar, weil der genetische Code und die Struktur der DNA universell unter allen Lebensformen gleich sind. Die Art und Weise, wie die Information von der DNA kodiert werden ist bei allen Organismen gleich. Folglich kann der genetische Code eines Organismus auf mehrere Arten verändert werden.

Eine Nucleotidsequenz kann mit Techniken wie dem CRISPR/Cas9-System selektiv editiert werden. Bekannt als die "molekulare Schere" ist das CRISPR/Cas9-System eine angeborene, prokaryontische Immunantwort, die zur Editierung der genetischen Information kooptiert wurde.

Ein Gen kann auch aus einem Organismus entfernt werden, um einen “Knockout” zu schaffen oder eingeführt werden. Dann spricht man von einem sogenannten “ Knockin”. Diese Prozesse bezeichnet man allgemein als Gen-Targeting. Diese Methode beruht auf homologer Rekombination. Es findet ein genetischer Austausch zwischen DNA-Molekülen, die eine ausgedehnte Region mit ähnlichen Sequenzen teilen statt. So wird ein endogenes Gen modifiziert.

Wissenschaftler können auch ein Gen von einem Organismus in das Genom eines anderen Organismus einsetzen. Dies resultiert dann in einem transgenen Organismus. Im Allgemeinen wird die aus verschiedenen Quellen kombinierte DNA als rekombinante DNA bezeichnet. Der Organismus, der diese DNA erhält, gilt als gentechnisch veränderter Organismus oder GVO.

Gentechnik beeinflusst die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden

Die Bearbeitung von Genomen hat die wissenschaftliche Forschung, Landwirtschaft, Industrie und Medizin maßgeblich beeinflusst. In der molekularbiologischen Forschung werden oft Transgene (Fremdgene) in Bakterien und Viren eingesetzt, um die Funktion und Expression von Genen zu untersuchen. Bakterien waren die ersten Organismen, die gentechnisch verändert wurden. Wissenschaftler führten das menschliche Insulin-Gen in Bakterien ein, um synthetisches Insulin zu produzieren. Dieses kann zur Behandlung von Menschen mit Diabetes eingesetzt werden.

Eine Technik, die Gentherapie genannt wird, erlaubt es, ein neues Gen in ein Individuum einzufügen. So kann das eingesetzt so Protein, für das es kodiert, in den Zellen des Individuums exprimiert werden kann. Die Gentherapie bietet eine Heilung oder Behandlung für einige schwere und sonst unbehandelbare genetische Krankheiten. Wissenschaftler modifizieren Viren, um neue Gene in die Wirtszellen zu bringen. Diese maßgeschneiderten Viren können kranke Zellen angreifen und eine korrekte Kopie eines defekten Gens einbauen und so menschliche Erkrankungen wie die Schwere Kombinierte Immundefizienz (SCID) behandeln.

Obgleich viele gentherapeutische Behandlungen mit modifizierten Viren durchgeführt werden, ist das CRISPR/Cas9-System zu einer immer beliebteren Technik geworden. Das CRISPR/Cas9-System schneidet DNA mit Hilfe eines Leitfadens aus, um die “molekulare Schere”, ein Enzym namens Cas9, an bestimmte Stellen im Genom zu leiten. Ausgeschnitten werden dabei RNA-Sequenzen, die als CRISPR bekannt sind. Wissenschaftler verwenden dieses molekulare Werkzeug, um genetisches Material hinzuzufügen, zu entfernen oder zu verändern. CRISPR/Cas9 wurde in Maus-Experimenten verwendet, um Fehler in Genen zu korrigieren, welche für Duchenne-Muskeldystrophie, Hepatitis B, Grauen Star und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verantwortlich sind.

Die Gentechnik kann zwar neue Behandlungsmethoden für Krankheiten hervorbringen, kann aber auch gleichzeitig für andere praktische Zwecke eingesetzt werden. Es wurden transgene Ziegen entwickelt, die in ihrer Milch Spinnenseide für die industrielle Nutzung produzieren. In der Landwirtschaft wurden einige Pflanzen gentechnisch verändert, um Eigenschaften wie Nährstoffgehalt und Schädlingsresistenz zu verbessern. Jüngste und zukünftige Fortschritte in der Gentechnik werden sich wahrscheinlich weiterhin auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen auswirken.

Ethische Befürchtungen bezüglich der Gentechnik

Die Gentechnik hat großes Potenzial. Wo aber ziehen wir die Grenze? Diese Frage müssen Wissenschaft und Gesellschaft beantworten. Die Bearbeitung des menschlichen Genoms, insbesondere in Keimbahnzellen, ist ein großes ethisches Problem. Die meisten Gentherapien modifizieren somatische Zellen, so dass sich genetische Veränderungen nur auf das Individuum auswirken. Veränderungen an der Keimbahn eines Menschen werden aber auch an ihre Nachkommen vererbt.

Im Jahr 2018 schockierte ein Wissenschaftler die Welt, als er angeblich die ersten mit CRISPR genetisch veränderten Babys schuf. Er versuchte, die Zwillingsmädchen durch Einführung einer unstudierten Keimbahnmutation gegen HIV resistent zu machen. Seine Aktionen lösten Empörung und Besorgnis aus,. Wissenschaftler und die Öffentlichkeit setzten sich mit der Frage auseinander, was dies für die Menschheit bedeutet. Es bleibt unklar, wie sich dies auf die Mädchen, ihre Gesundheit, ihre zukünftigen Nachkommen oder die Bevölkerung auswirken würde.

Ein weiteres Bedenken ist die Nutzung von fremdem genetischen Material zur Verbesserung der Nahrungsmittelversorgung. Pflanzen sind die häufigste genetisch veränderte Nahrungsquelle, wobei 28 Länder weltweit fast 450 Millionen Hektar GV-Pflanzen anbauen. Während es ein enormes Potenzial zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung einer wachsenden Weltbevölkerung gibt, sind wissenschaftlich fundierte, langfristige Studien erforderlich, um den Bedenken der GVO-Kritiker zu begegnen.


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