Gentechnik: PCR, Gelelektrophorese und CRISPR/Cas
Du lernst die wichtigsten Methoden der Gentechnik kennen und kannst Chancen und Risiken sachlich abwägen.
Das Wichtigste verständlich erklärt
Die Gentechnik umfasst Methoden, mit denen man DNA gezielt untersuchen, vervielfältigen und verändern kann. Sie wird in Medizin, Forschung, Landwirtschaft und Kriminalistik eingesetzt.
Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
Mit der PCR vervielfältigt man einen bestimmten DNA-Abschnitt millionenfach. Kary Mullis entwickelte das Verfahren in den 1980er-Jahren. Ein Zyklus besteht aus drei Schritten:
- Denaturierung (etwa 95 °C): Die DNA-Doppelstränge trennen sich.
- Anlagerung (Hybridisierung) (etwa 50 bis 65 °C): Kurze, passende Primer lagern sich an die Einzelstränge an.
- Verlängerung (Elongation) (etwa 72 °C): Eine hitzestabile DNA-Polymerase (Taq-Polymerase) ergänzt die Stränge.
Mit jedem Zyklus verdoppelt sich die Menge des Abschnitts. Nach 30 Zyklen sind es rechnerisch 2³⁰, also über eine Milliarde Kopien. Die PCR wird unter anderem für Virustests, Vaterschaftstests und in der Forensik genutzt.
Gelelektrophorese
DNA-Fragmente werden in einem Gel durch elektrische Spannung nach ihrer Größe getrennt. DNA ist durch die Phosphatgruppen negativ geladen und wandert zum Pluspol. Kleine Fragmente wandern schneller und weiter als große. So entsteht ein Bandenmuster, der genetische Fingerabdruck.
Gentransfer
Mit Restriktionsenzymen („molekularen Scheren“) schneidet man DNA an bestimmten Basenfolgen. Ein Gen kann so in einen Vektor wie ein bakterielles Plasmid eingebaut und in Bakterien übertragen werden. Diese produzieren dann das gewünschte Protein. Seit den 1980er-Jahren wird so zum Beispiel Humaninsulin für Menschen mit Diabetes hergestellt.
CRISPR/Cas9
Mit der Genschere CRISPR/Cas9 lässt sich DNA sehr präzise an einer gewünschten Stelle schneiden und verändern. Eine Leit-RNA führt das Enzym Cas9 zu der passenden Stelle im Genom. Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna erhielten dafür 2020 den Nobelpreis für Chemie.
Chancen und Risiken
- Chancen: neue Medikamente und Therapien gegen Erbkrankheiten, schnelle Diagnostik, ertragreichere oder widerstandsfähigere Pflanzen
- Risiken und Fragen: unbeabsichtigte Veränderungen im Erbgut, Auswirkungen gentechnisch veränderter Organismen auf Ökosysteme, ethische Fragen bei Eingriffen in die menschliche Keimbahn, Datenschutz bei genetischen Daten
In Deutschland und der EU ist der Umgang mit gentechnisch veränderten Organismen gesetzlich geregelt. Eingriffe in die menschliche Keimbahn sind in Deutschland durch das Embryonenschutzgesetz verboten.
Merke
PCR vervielfältigt DNA in Zyklen aus Denaturierung, Anlagerung der Primer und Verlängerung. Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach Größe (kleine wandern weiter zum Pluspol). CRISPR/Cas9 schneidet DNA gezielt. Chancen und Risiken müssen sachlich abgewogen werden.
Vorgemacht: Beispiele
Beispiel 1
- Jeder Zyklus verdoppelt die Menge.
- 2²⁰ = 1 048 576
Ergebnis gut eine Million Kopien
Beispiel 2
- Große Fragmente kommen im Gel langsamer voran.
Ergebnis Die Bande nahe am Start enthält die größeren Fragmente.
Selbst üben
Warum braucht man für die PCR eine hitzestabile Polymerase?
Lösung anzeigen
Weil im Denaturierungsschritt etwa 95 °C erreicht werden, die normale Enzyme zerstören würden.
Zu welchem Pol wandert DNA in der Gelelektrophorese und warum?
Lösung anzeigen
Zum Pluspol, weil DNA durch die Phosphatgruppen negativ geladen ist.
Wer erhielt 2020 den Nobelpreis für CRISPR/Cas9?
Lösung anzeigen
Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna.
Hier passieren die meisten Fehler
Es wird angenommen, dass große DNA-Fragmente im Gel am weitesten wandern.
Kleine Fragmente wandern schneller und weiter.
Die PCR wird mit der Replikation in der Zelle gleichgesetzt, ohne Primer und Temperaturzyklen.
Die PCR läuft im Reagenzglas mit Primern und wechselnden Temperaturen ab.
Hinweis zur Klassenstufe
Wir ordnen das Thema Klasse 13 zu, weil es dort in den meisten Lehrplänen vorkommt. Bei dir kann die Reihenfolge abweichen.