Aufgaben 136 Gentechnik: neue Organismen durch Übertragung von Fremdgenen Der genetische Code ist universell. Deswegen können Gene einer Art mittels Transkription und Translation von jeder anderen Art zunächst in RNA und dann in Proteine umgeschrieben werden. Das macht man sich in der Gentechnik zunutze. Dabei werden nicht nur, wie am Anfang dieses Kapitels erwähnt, Artgrenzen überschritten. Es ist ja durchaus vorstellbar, dass ein RapsGen im Gemüsekohl oder im Schwarzen Senf funktioniert – gehören doch alle drei Arten zur Familie der Kreuzblütengewächse (Kohlgewächse). Man kann jedoch generell Gene von Pro- und Eukaryoten in das Genom von anderen Eukaryoten oder Bakterien einsetzen. Das entstehende Lebewesen ist in jedem Fall ein gentechnisch veränderter Organismus (GVO) – ohne technische Hilfsmittel käme er in der Natur nicht vor. In seltenen Fällen stimmt diese Aussage nicht: Es gibt einige wenige Fälle, in denen Prokaryoten tatsächlich auch in der Natur genetisches Material an Eukaryoten weitergeben. Dieser natürliche horizontale Gentransfer1 wurde ua. bei einem Bodenbakterium entdeckt, das dann in der Gentechnik Verwendung fand: Agrobacterium tumefaciens (kAbb. 12). Horizontaler Gentransfer fand zB bei der Süßkartoffel statt, die tatsächlich DNA-Fragmente von A. tumefaciens enthält. Horizontaler Gentransfer wurde auch bei einigen Blattlausarten gefunden: Sie haben offenbar von Pilzen die Gene für die Synthese von Karotinoiden übernommen. Evolutionär gesehen ist der natürliche horizontale Gentransfer jedoch ein extrem seltenes Ereignis. 1 horizontaler Gentransfer (auch lateraler Gentransfer): Weitergabe genetischen Materials von einem Lebewesen zu einem anderen, die nicht durch Vererbung an Nachkommen erfolgt 2 T-DNA (Transfer-DNA): Region des Plasmids von Agrobacterium tumefaciens, die in das Genom einer befallenen Pflanzenzelle integriert wird und dort zur Enstehung eines Pflanzentumors führt 3 Plasmide: ringförmige und doppelsträngige DNA-Moleküle, die bei Bakterien und einigen Hefen zusätzlich zu Chromosomen vorhanden sind; oft befinden sich auf Plasmiden Gene für besondere Eigenschaften, zB Antibiotikaresistenzen. Horizontalen (lateralen) Gentransfer gibt es auch in der Natur – er ist aber höchst selten Verwundetes Pflanzengewebe schüttet den Stoff Acetosyringon aus. Diese vir-Gene synthetisieren Transportproteine und Kanalproteine sowie Enzyme, die die T-DNA aus dem Plasmid herausschneiden. Zellwand Kernmembran mit Poren Zytokinin, Auxin, Opine T-DNA-Kopie T-DNA vir-Gene Bakterien-DNA e Dadurch wird die Wirtszelle dazu gebracht, vermehrt Zytokinin und Auxin zu produzieren. Das führt zu vermehrter Zellteilung und letztlich zur Bildung eines Tumors. Zellen mit bakterieller T-DNA stellen zudem Opine her. Das sind stickstoffreiche organische Verbindungen, die A. tumefaciens als Nahrung dienen. Die T-DNA gelangt durch einen neuen Kanal von der Bakterien- in die Wirtszelle und wird im Zellkern in die Wirts-DNA eingebaut. Wo dies geschieht, ist rein zufällig. Die T-DNA enthält Gene für die Synthese der Wachstumshormone Zytokinin und Auxin sowie von Opinen. Acetosyringon wirkt als Lockstoff für A. tumefaciens und aktiviert bestimmte Virulenzgene (vir) auf dessen Plasmid. Abb.12: Natürlicher Gentransfer von Agrobacterium tumefaciens in Pflanzenzellen. Dabei wird eine Kopie der T-DNA2 des Plasmids3 in das Wirtsgenom eingebaut. Information und Kommunikation Acetosyringon (und andere Stoffe, die von verletztem Pflanzengewebe abgegeben werden), dienen als Signalstoffe für A. tumefaciens: Das Bakterium wird durch sie angelockt. Steuerung und Regelung Der Einbau von bakterieller T-DNA in das Wirtsgenom verändert den Stoffwechsel der Wirtszelle; sie wird praktisch fremdgesteuert. 1 W Schau dir Abbildung 12 noch einmal genau an. Diese Grafik stellt modellhaft den Vorgang einer DNA-Übertragung zwischen zwei Organismen dar. Zeige mit Hilfe deines Wissens über Zellen auf, wo dieses Modell der Realität entspricht und welche Mängel es aufweist (Modellkritik). Erkläre, weshalb die Grafik trotzdem als Modell dienen kann. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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