Grüne Gentechnik VI – Wie werden Gene übertragen?

Von springenden Genen und dem Gentransfer mit Goldgeschossen

Der Schlüssel der Pflanzenzüchtung ist schon immer das Erbgut der Pflanzen. Mit Selektion und gezielter Kreuzung wurde zunächst versucht, auf die Gene als den Trägern bestimmter Eigenschaften, Einfluss zu nehmen. Nichts anderes ist das Ziel der Gentechnik. Im Vergleich zur klassischen Züchtung bietet sie aber die Möglichkeit, einzelne Gene gezielt in das Erbgut von Pflanzenzellen einzuschleusen. Aus ihnen wachsen neue Sorten mit den gewünschten Eigenschaften heran. Das ist prinzipiell nichts Unnatürliches und die Forscher haben bei den Methoden des Gentransfers im Labor der Natur auf die Finger geschaut.

Neue Methoden der Pflanzenzüchtung Quelle: VCI, Frankfurt

Die Grundbausteine der Erbsubstanz (DNA) sind Basen: Adenin (grün), Guanin (blau), Thymin (rot), Cytosin (gelb). Quelle: VCI, Frankfurt

Ein Bodenbakterium als „Genfähre“

Das Bodenbakterium* Agrobakterium tumefaciens ist heute der wichtigste Gehilfe, um einzelne Gene in das Erbgut von Nutzpflanzen einzuschleusen. Wildtypen des Einzellers, der im Boden lebt, existieren schon seit Millionen von Jahren. Sie dringen in Wurzelzellen ein und übertragen ein Gen in ihr Erbgut. Sie beginnen dann, krebsähnlich zu wuchern und bilden so genannte Gallen. An Stelle dieses Gens können auch andere Gene wie zum Beispiel Resistenzgene mit Hilfe der natürlichen Genfähre in Pflanzenzellen eingeschleust werden. Allerdings funktioniert dieser Übertragungsweg nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen (Dikotyledonen). Bei den einkeimblättrigen Getreidearten (Monokotyledonen) müssen andere Übertragungswege genutzt werden.

Gentransfer bei Protoplasten

Protoplasten sind Zellen ohne Zellwand, die nur von einer dünnen Membran umgeben sind. Große Moleküle, wie sie die Gene darstellen, können daher leicht eingeschleust werden. Ein direkter Gentransfer ist zum Beispiel mit einer sehr feinen Nadel möglich, mit der das Fremdgen direkt in den Zellkern gespritzt wird. Andere Möglichkeiten bieten sich mit chemischen Substanzen wie Polyethylenglycol (PEG) oder elektrischer Spannung, die die Membran für die Fremdmoleküle durchlässiger machen. Der Erfolg dieser Methode ist davon abhängig, ob aus dem Protoplasten eine intakte Pflanze heranwächst, in deren Erbgut das neue Gen erfolgreich verankert ist.

Mit Goldgeschossen in die Zelle

Da sich intakte Pflanzenzellen besser als Protoplasten regenerieren, erfanden die Wissenschaftler die so genannte „Particle-Gun-Methode“, mit der Gene durch die Zellwand in das Innere von Zellen eingeschleust werden können. Dabei werden Gold- oder Wolfram-Partikel mit DNA beschichtet und mit hohem Druck in Zellen oder Gewebe geschossen.

Erbgut ist nie stabil

Veränderungen des Erbguts, so genannte Mutationen , sind bei allen Lebensformen in der Natur allgegenwärtig. Sogar die DNA von Viren, die keine echte Lebensform darstellen, verändert sich ständig. Dieser Umstand führt zum Beispiel dazu, dass Jahr für Jahr neue Grippeimpfstoffe entwickelt werden müssen. Andere natürliche Mutationen wie etwa die Mehltauresistenz der Gerstenpflanzen, machen sich die Menschen zu Nutze. Diese Mutation fand vor etwa 10 000 Jahren statt und noch heute profitieren wir beim Anbau von Braugerste von dieser Resistenz . Natürliche Mutationen können durch UV- und Röntgen-Strahlung, durch chemische Substanzen und durch Viren ausgelöst werden. Die größte Rolle spielen aber Spontanmutationen, die von so genannten Springergenen ausgelöst werden.

Springende Gene – natürliche Vielfalt birgt Chancen

Die farbenprächtigen Körner beim Ziermais sind ein sichtbares Werk der springenden Gene, auch Transposons genannt. Diese Gene sind meistens kurze DNA-Abschnitte, die Bauanleitungen für ein Enzym tragen. Mit Hilfe dieses Enzyms kann der DNA-Strang wie mit einer molekularen Schere zerschnitten und wieder rekombiniert werden.

Springende Gene sind mittlerweile bei fast allen Organismen nachgewiesen worden. Sie ermöglichen eine große genetische Vielfalt und damit die notwendigen Anpassungsprozesse an die jeweiligen Begebenheiten. In der Gentechnik werden springende Gene dazu genutzt, Markergene aus gentechnisch veränderten Organismen wieder zu entfernen. Auch hier macht sich die Wissenschaft die Erfindungen der Natur zu Nutze.