SdWSBMH0217

Genetische Veränderungen
der ersten Generation

In den 1980er Jahren entwickelten Wissenschaftler die ersten
gentechnisch veränderten Nutzpflanzen. Um neues Erb-
material in die Pflanzenzellen einzubringen, nutzten sie ent-
weder biologische Mittel wie Agrobacterium oder physikalische
Methoden – so genannte Genkanonen, die DNA in Zellen
hineinschießen. Das übertragene Erbmaterial stammte von
fremden Arten (Trans genese) oder von verwandten, kreuzbaren
Spezies (Cisgenese).

Genetische Veränderungen

der zweiten Generation: Genome Editing

Mit Präzisionstechniken wie Zinkfingernukleasen, TALENs und

CRISPR/Cas können Biologen ganz bestimmte Orte innerhalb

des zellulären Genoms anpeilen. Sie können beispielsweise ein

spezifisches Gen inaktivieren (siehe unten) oder es durch andere

ersetzen. Die dabei eingebrachte neue DNA kann von einer art-

fremden Spezies stammen (Transgenese) oder von einer ver-

wandten, kreuzbaren (Cisgenese). Obwohl CRISPR/Cas9 sich so

programmieren lässt, dass es spezifische Stellen im Genom ganz

gezielt angreift, macht sein Schneidwerkzeug, die Endonuklease

Cas9, gelegentlich unerwünschte Schnitte auch an anderen

Orten, so genannte »off-target cuts«. Diese kommen nach bishe-

rigen Erkenntnissen aber in Pflanzenzellen nur selten vor.

JEN CHRISTIANSEN / SCIENTIFIC AMERICAN MÄRZ 2016; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

integriertes,

vorteilhaftes Gen

Unerwünschtes Gen

wurde deaktiviert.

vorteilhaftes Gen
kann von einem ver-
wandten Organismus
stammen (cisgene
Kreuzung) oder von
einem artfremden
(Transgenese)

derzeitige

Kultursorte

erwünschte

Fruchteigen-

schaften,

aber anfällig

für Mehltau

vorteilhaftes

Gen

Agrobacterium-Methode

Das vorteilhafte Gen wird

in ein ringförmiges DNA-

Molekül (Plasmid) der

Mikrobe Agrobacterium

tumefaciens eingebaut.

Anschließend infiziert

man Pflanzenzellen

mit dem modifizierten

Bakterium, wobei dieses

sein Plasmid ins pflanzliche

Genom integriert.

Bakterium

Pflanzenzelle

Pflanzenzelle

DNA-Transfer mittels Genkanone

Metallpartikel, die mit DNA-Stücken beschichtet sind, wer-

den in Pflanzenzellen der jeweiligen Kultursorte geschossen.

Diese bauen die DNA in ihr eigenes Genom ein.

Zellen, die das neue Erbmaterial in ihr Genom eingebaut haben,
teilen sich und entwickeln sich zu Pflanzen.

Zellen mit der modifizierten DNA teilen sich und entwickeln

sich zu Pflanzen.

neue Kultursorte
mehltauresistente
Pflanze mit er-
wünschten Frucht-
eigenschaften

genomeditierte Pflanze

mehltauresistente

Pflanze mit erwünsch-

ten Fruchteigenschaften

derzeitige

Kultursorte

unerwünschtes Gen

CRISPR/Cas-Werkzeug

enthält eine Leit-RNA, die zur Ziel-

sequenz auf dem DNA-Strang kom-

plementär ist (und deshalb an sie bindet),

sowie ein DNA-schneidendes Protein, in

der Regel die Endonuklease Cas9

CRISPR/Cas9 bindet sich an die Ziel -

sequenz, und Cas9 schneidet beide DNA-

Stränge. Wenn die Zelle den Doppel-

strangschnitt repariert, kommt es dort

häufig zu zufälligen Veränderungen in

der Abfolge der Basenpaare, was meist

das gesamte Gen ausschaltet (»knock

out«). Schleust man zusätzlich fremdes

Erbmaterial ein, kann dieses unter bestimmten

Voraussetzungen beim Reparieren des Doppelstrang-

schnitts eingefügt werden. Dadurch lassen sich hunderte

oder tausende neuer Basenpaare ins Genom integrieren.

Pflanzenzelle

Leit-RNA

Cas9

Schnittstelle