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Ratón

Figura 1
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Ingeniería genética: ingeniería genética con autodestrucción

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La nueva y técnicamente elegante herramienta de manipulación de genes CRISPR / CAS hace posible cambiar cualquier parte del material genético de forma mucho más precisa y sencilla que antes. Esto aumenta, por ejemplo, la posibilidad de una terapia génica viable para enfermedades hereditarias, que podrían tener menos efectos secundarios, incluso si actualmente funciona incluso mejor en ratones que en células humanas. Sin embargo, sobre todo, el método simplifica cientos de escenarios de aplicación diferentes que los laboratorios de ingeniería genética están jugando ahora en sus cultivos celulares: solo esta semana, por lo tanto, aparecerán varios estudios en revistas especializadas más grandes que han examinado, por ejemplo, cómo puede intervenir CRISPR. en el genoma de los patógenos de la malaria o bacterias multirresistentes, para mantener a raya a estos peligrosos patógenos.

Así que la tecnología está avanzando & # 8211 y, al mismo tiempo, ha llegado el momento de pensar en los efectos secundarios potencialmente dañinos. Brian Caliando y Christopher Voigt del Instituto de Tecnología de Massachusetts ahora han abordado este problema: utilizan el mecanismo CRISPR para deshacer de forma segura todas las manipulaciones introducidas en un organismo con CRISPR en una emergencia definida. Con este fin, los investigadores programaron un mecanismo de autodestrucción eficaz para organismos modificados genéticamente que puede activarse en respuesta a cualquier número de señales.

Con el interruptor de control adicional, según los investigadores, las células modificadas genéticamente pueden destruirse a sí mismas si se desea. Esto podría volverse importante, por ejemplo, si ellos o partes de su material genético alterado ingresan al campo desde un entorno de laboratorio o una instalación de prueba. En este caso, sin embargo, también tiene sentido que los organismos no solo mueran simplemente en caso de un accidente, sino que todas las moléculas de ADN previamente modificadas genéticamente se destruyan de manera confiable. De lo contrario, podrían extenderse al medio ambiente, pero también existe el riesgo de que las patentes de genes latentes en las células se vean amenazadas si se roban semillas, plantas o bacterias modificadas genéticamente.

Como es habitual con el método CRISPR clásico, los investigadores han insertado un complejo enzimático en las células para su interruptor de emergencia flexible, que, una vez activado, se acopla a ciertos puntos del genoma con la ayuda de las secuencias de direcciones suministradas y abre la hebra de ADN allí. . Con el método CRISPR / CAS, esto permite que una molécula administrada al mismo tiempo incorpore nuevos segmentos de genes seleccionados exactamente aquí. El nuevo mecanismo de autodestrucción genética, por otro lado, solo ha recibido las direcciones de las secuencias de genes que se van a destruir y las corta dondequiera que sean descompuestas por la célula. El interruptor se puede configurar fácilmente de tal manera que la célula no sobreviva a esta intervención masiva y muera: solo las células muertas permanecen sin ningún residuo de la secuencia de ADN previamente manipulada.


Mujeres descubiertoras de las tijeras genéticas CRISPR / Cas9 premiadas

Las tijeras genéticas Crispr / Cas9 son una de las herramientas más importantes de la ingeniería genética y la biomedicina modernas. Es por eso que el Premio Nobel de Química 2020 es para los dos investigadores que descubrieron las tijeras genéticas y las desarrollaron para uso práctico: Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna. Fueron los primeros en reconocer que una construcción creada por bacterias a partir de un segmento de ADN & # 8211 Crispr y una enzima & # 8211 Cas9 & # 8211 puede convertirse en una herramienta de ingeniería genética. Porque Crispr / Cas9 puede cortar el ADN de la molécula genética con una precisión milimétrica e intercambiar partes del gen.

Las tijeras de genes Crispr / Cas9 se han convertido en una parte indispensable de la biomedicina y la genética modernas. Por primera vez, permite cortar de forma precisa y relativamente fácil secciones individuales o incluso bases individuales de moléculas hereditarias y reemplazarlas con otras secuencias de ADN. Las tijeras genéticas son precisas, económicas y tan fáciles de usar que incluso los legos de la ingeniería genética pueden dominarlas rápidamente. Hace unos años, los investigadores compararon la importancia de este método con el de Volkswagen para la industria automotriz: se ha convertido en una tecnología cotidiana.

Dos investigadores hacen el gran avance

Este hito en la ingeniería genética fue posible principalmente gracias al trabajo de Emmanuelle Charpentier del Centro de Investigación Max Planck para la Ciencia de los Patógenos en Berlín y Jennifer Doudna de la Universidad de California en Berkeley. Fueron los primeros en desarrollar una versión funcional de las tijeras genéticas que se puede adaptar a la secuencia de ADN deseada. Su investigación se basa en un mecanismo inmunológico descubierto en las bacterias: para defenderse de los virus invasores, los microbios utilizan una determinada parte de su composición genética, las & # 8222Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats & # 8220 - Crispr para abreviar - para reconocer secuencias de ADN viral y luego cortarlas con enzimas. Sin embargo, inicialmente no fue posible activar el Crispr aislado de bacterias en el laboratorio.

El avance se produjo con el conocimiento de Charpentier en 2011 de que aparentemente otra molécula, el llamado tracrRNA, era necesaria para reconocer y cortar el ADN extraño. Juntos, Charpentier y Doudna luego desarrollaron una versión de las tijeras genéticas en la que el tracRNA ya está integrado. Usando este & # 8222Guide-RNA & # 8220, su construcción ahora hizo posible especificar segmentos de ADN específicos como & # 8222 objetivo & # 8220. Esto es posible porque el código del ARN guía de Crispr / Cas9 contiene una especie de negativo del segmento del gen que se busca. Cuando este negativo coincide con el código genético del ADN que se va a editar, las tijeras genéticas se adhieren y la enzima Cas9 corta la pieza. En pruebas de laboratorio, Charpentier y Doudna probaron su desarrollo con cinco objetivos diferentes, y en todas las pruebas, las tijeras genéticas cortan exactamente donde deberían. En 2012, los microbiólogos publicaron sus resultados & # 8211 y desencadenaron una revolución en la investigación genética.

& # 8222Un poder tremendo que nos afectará a todos & # 8220

Mientras tanto, Crispr / Cas9 se ha convertido en una de las herramientas más importantes en la edición de genes. Se utiliza en la investigación médica para desactivar genes específicos en animales de laboratorio o para agregar defectos genéticos que ocurren en humanos a su genoma. Esto es fundamental, por ejemplo, para poder investigar determinadas enfermedades hereditarias. Las tijeras genéticas también se utilizan para modificar la composición genética de los cultivos para que puedan tolerar mejor los metales pesados, el calor o la sequía, por ejemplo. En medicina, las tijeras genéticas abren nuevas posibilidades para terapias génicas contra enfermedades hereditarias o inmunoterapias contra el cáncer. En ratones, ya ha sido posible destruir el virus del VIH en las células, curar la debilidad muscular hereditaria de Duchenne o reparar el defecto genético de la anemia de células falciformes. "Esta herramienta genética tiene un poder tremendo que nos afectará a todos", dijo Claes Gustafsson, presidente del Comité Nobel de Química en la ceremonia de entrega de premios. & # 8222Las tijeras genéticas no solo revolucionaron la investigación básica, sino que también crearon plantas útiles e innovadoras que darán lugar a tratamientos médicos revolucionarios. & # 8220

Sin embargo: las tijeras genéticas son muy precisas, pero no perfectas. Por lo tanto, en algunos casos también puede causar cambios de ADN no deseados y potencialmente dañinos. Además, la introducción de nuevos genes puede provocar efectos a largo plazo aún no detectados. Esta es una de las razones por las que hasta ahora esta herramienta se ha probado principalmente en animales y plantas. Pero algunos grupos de investigación, especialmente en China, también están experimentando con su uso en humanos, en parte de una manera éticamente cuestionable. En 2018, por ejemplo, nacieron dos niños por primera vez en cuyo genoma los científicos habían introducido de contrabando un gen de defensa contra el VIH. Dado que ya han introducido este gen en el óvulo fertilizado, todas las células de las dos niñas portan este cambio genético, incluidas las células del óvulo que luego producen. Esto representa una intervención en la línea germinal, algo que hasta ahora ha sido prohibido en la mayoría de los países debido a sus consecuencias de gran alcance y ramificaciones éticas.


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Química empresarial *

Hoy en día, muchos desafíos industriales, técnicos y económicos solo pueden abordarse internacionalmente y en la interacción de las ciencias naturales y económicas. Por tanto, la química empresarial combina la química con la administración de empresas. Interrelaciona ambas materias para puestos directivos en la industria química, farmacéutica o alimentaria, transformación de plásticos o metales, en la ingeniería de automoción y mecánica o en el reciclaje. La química empresarial en la Universidad Tecnológica de Clausthal transmite un amplio espectro de competencias, desde habilidades en síntesis y análisis en equipos a gran escala hasta gestión corporativa y marketing y lenguaje técnico en inglés para una carrera internacional.

Descripción del puesto y mercado laboral

La química empresarial es una ciencia próspera. Nuestros graduados tienen muchas opciones. Porque la industria química es el cuarto sector industrial más grande solo en Baja Sajonia con alrededor de 24,000 empleados. Los graduados encuentran empleo en calidad, ciencia y gestión de productos, en investigación y desarrollo, en marketing, ventas y producción o en consultoría de estrategia. Con la licenciatura en química empresarial reconocida en toda Europa, tiene las condiciones óptimas para una maestría posterior en química comercial en la TU Clausthal (desde el semestre de invierno 2024/2025), una maestría en química en la TU Clausthal con el dos direcciones “química aplicada” y “química de polímeros”, o en la administración técnica de empresas con los diversos campos de estudio “Fabricación”, “Gestión energética”, “Sostenibilidad y economía circular” o “Gestión digital”.


Ingeniería genética: CRISPR facilita la manipulación

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Hace unos tres años Bruce Conklin se enteró de un método que cambiaría todo en su laboratorio. El genetista de los Institutos Gladstone en San Francisco ha estado estudiando la conexión entre los cambios en el ADN y las enfermedades humanas durante años, pero sus herramientas, las herramientas, simplemente le molestaban. Trabajó con células de pacientes, pero no sabía qué secuencias de ADN eran realmente cruciales para su enfermedad y cuáles no. En ese momento, la introducción experimental de mutaciones en el ADN no solo era costosa, sino sobre todo muy laboriosa: "El simple cambio de un gen era toda una tesis", dice.

Luego, en 2012, leyó sobre una nueva técnica llamada CRISPR, con la ayuda de la cual el ADN de casi cualquier organismo, incluidos los humanos, podría manipularse rápida y fácilmente. El laboratorio de Conklin pronto archivó su enfoque anterior, comenzó a usar el nuevo método y desde entonces ha trabajado a fondo para mutar todos los genes posibles asociados con enfermedades cardíacas. "CRISPR simplemente pone todo patas arriba", dice.

Este artículo está incluido en Spectrum & # 8211 The Week, 25/2015

Muchos tienen este sentimiento, porque CRISPR realmente está confundiendo la investigación biomédica. A diferencia de otros métodos de edición de genes, es barato, rápido y fácil & # 8211 no es sin razón que se ha abierto camino en muchos laboratorios de todo el mundo. Los investigadores quieren usarlo para modificar genes con el fin de curar enfermedades, producir plantas más resistentes, erradicar patógenos y mucho más. "Ha habido dos hitos importantes desde que comencé a trabajar en ciencia: el desarrollo de PCR y CRISPR", dice el genetista John Schimenti de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. La PCR como método para la amplificación del ADN ha revolucionado la ingeniería genética desde su invención en 1985 & # 8211 "ahora CRISPR está realmente mezclando las biociencias", dice Schimenti.

Pero con todas las nuevas posibilidades, algunos científicos están preocupados por el ritmo vertiginoso del desarrollo, que deja poco tiempo para preocupaciones éticas y de seguridad. De repente, estos se volvieron muy específicos cuando llegó la noticia del uso del sistema CRISPR en la investigación de embriones en abril. Los embriones utilizados aquí no pudieron convertirse en organismos viables, pero la publicación alimentó el debate sobre si CRISPR puede usarse para introducir cambios hereditarios en el genoma humano y en qué medida. Algunos científicos exigen más investigación sobre si el método produce genomas aberrantes y potencialmente peligrosos, otros se preocupan por las posibles consecuencias fatales para ecosistemas enteros. "La nueva tecnología se puede usar en cualquier laboratorio sin ningún problema, y ​​sin equipos extremadamente costosos y sin años de capacitación para los empleados", dice el biólogo de sistemas Stanley Qi de la Universidad de Stanford en California. "Por lo tanto, siempre debemos pensar detenidamente en la aplicación y sus efectos".

Revolución en la investigación

Los biólogos han podido durante mucho tiempo manipular el genoma con herramientas moleculares. Hace unos diez años, todo el mundo estaba muy entusiasmado con las llamadas nucleasas de dedos de zinc, que se suponía que cambiaban las secuencias de ADN de manera particularmente precisa y eficiente. Sin embargo, en última instancia, las enzimas no se utilizaron ampliamente porque son difíciles de fabricar y, a unos 5.000 dólares, son muy caras, explica el biólogo molecular James Haber de la Universidad de Brandeis en Waltham, Massachusetts. CRISPR funciona de manera muy diferente a los sistemas conocidos anteriormente. La base es una enzima llamada Cas9, que se guía a su ADN objetivo con la ayuda de un fragmento corto de ARN, el llamado ARN guía. Allí corta el ADN, por lo que los genes pueden destruirse o insertarse las secuencias deseadas. Con el método, los investigadores a menudo solo tienen que pedir el fragmento de ARN apropiado; de lo contrario, se requieren reactivos estándar y el costo total es de alrededor de $ 30. "Esto significa que la tecnología es accesible para todos y todos pueden usarla", dice Haber. "Esta es una verdadera revolución".

CRISPR rápidamente pasó a segundo plano las otras tecnologías de edición de genes, como las nucleasas de dedos de zinc. Algunos investigadores incluso abandonaron métodos que habían perfeccionado a lo largo de los años en sus laboratorios. "Eso me deprime un poco", dice el genetista Bill Skarnes del Wellcome Trust Sanger Institute en Hinxton, Gran Bretaña, "pero también estoy fascinado por las nuevas posibilidades". Durante muchos años de su carrera, Skarnes había trabajado con una técnica que se desarrolló a mediados de la década de 1980: la producción de ratones modificados genéticamente con la ayuda de células madre embrionarias en las que se introdujo previamente el ADN del gen deseado. El método se convirtió en una rutina en algún momento, pero es tedioso y costoso & # 8211 con CRISPR, todo solo toma una fracción del tiempo y Skarnes ha estado trabajando con él en su laboratorio durante dos años.

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Los investigadores siempre han trabajado mucho con organismos modelo como ratones y moscas de la fruta, aunque solo sea porque tenían buenas herramientas de manipulación genética. Con CRISPR, los genes ahora se pueden cambiar en organismos completamente diferentes. En abril, por ejemplo, investigadores del Whitehead Institute for Biomedical Research en Cambridge, Massachusetts, informaron sobre sus experiencias con el nuevo sistema en hongos. Candida albicans, que es particularmente peligroso para personas con un sistema inmunológico debilitado y que hasta ahora ha sido difícil de modificar en el laboratorio. Jennifer Doudna de la Universidad de California en Berkeley fue pionera en CRISPR y tiene una lista de organismos modificados. Las tres docenas de entradas incluyen parásitos causantes de enfermedades como Tripanosoma así como levaduras para la producción de biocombustibles.

Pero el rápido progreso también tiene sus inconvenientes. "Nadie tiene tiempo para caracterizar primero el sistema de una manera muy básica", critica Bo Huang, quien trabaja como biofísico en la Universidad de California en San Francisco. "Mientras todo funcione, a nadie le importa cómo y por qué". Es por eso que los investigadores a veces se topan con la pared, como Huang, quien tardó dos meses en su laboratorio para adaptar primero el sistema CRISPR para los exámenes por imágenes. En su opinión, no habría tardado tanto si hubiera sabido más sobre las posibilidades de optimización en el diseño de los ARN guía. Éstas son la base de todo el sistema, y ​​las diferencias más pequeñas en la secuencia pueden ser decisivas para el éxito de los experimentos.

La mayoría de los científicos ven que este establecimiento funciona solo como un mal menor cuando se usa una tecnología muy potente. Doudna, por otro lado, ha estado más preocupado por la seguridad desde una conferencia en 2014. Un postdoctorado mostró datos sobre una construcción de virus que permitió que los componentes del sistema CRISPR fueran inhalados en ratones, después de lo cual el sistema CRISPR introdujo mutaciones en el ADN y los investigadores pudieron usarlo para construir un modelo para el cáncer de pulmón. Durante la presentación, Doudna tenía la columna fría: el más mínimo error en el diseño del ARN guía podría muy bien resultar en una molécula CRISPR que también está activa en los pulmones humanos. "Me preocupaba mucho que los estudiantes pudieran estar trabajando con esta herramienta sin saber qué hacer con ella", dice con preocupación. "La gente finalmente debe entender de lo que es capaz la tecnología".

Andrea Ventura es investigadora del cáncer en el Centro Oncológico Memorial Sloan Kettering de Nueva York y es la autora principal del artículo. En su laboratorio, las normas de seguridad se observan concienzudamente, responde. Las secuencias del ARN guía se dirigieron contra regiones diana específicas de ratón en el genoma y el virus se inactivó para que ya no fuera capaz de replicarse. No obstante, por supuesto, habría que considerar cualquier riesgo, por improbable que sea. "En teoría, las guías no deberían cortar el genoma humano, pero nunca se sabe", agrega. "Incluso si eso no es muy probable, siempre hay que tenerlo en cuenta".

Erradicar genéticamente enfermedades

El año pasado, el biotecnólogo Daniel Anderson y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge mostraron cómo podrían usar el sistema CRISPR para corregir una mutación en ratones que está asociada con la enfermedad metabólica tirosinemia, que se conoce en humanos. Esta fue la primera corrección de una mutación causante de enfermedad en animales adultos con la ayuda del sistema CRISPR & # 8211 un paso importante hacia el uso de la tecnología en terapia génica en humanos.

La idea de que CRISPR podría acelerar el desarrollo de la terapia génica causó recientemente un gran entusiasmo entre científicos y biotecnólogos. Pero además del potencial del método, el artículo de Anderson también ilustra lo inmenso que puede ser el esfuerzo. Para poder introducir la enzima Cas9 y su ARN guía en el hígado como órgano diana en el animal de prueba, los investigadores tuvieron que inyectar grandes cantidades de líquido en los vasos sanguíneos, lo que sería simplemente impensable en humanos. Además, la mutación solo se corrigió en el 0,4 por ciento de las células, lo que ciertamente no sería suficiente para muchas enfermedades.

En los últimos dos años, algunas empresas se han subido al tren y quieren utilizar CRISPR para desarrollar una terapia génica. Anderson no solo espera los primeros estudios clínicos en los próximos uno o dos años. Inicialmente, los componentes CRISPR pueden inyectarse primero directamente en el tejido, por ejemplo en el ojo. O se extraen células del paciente, se modifican en el laboratorio y luego se devuelven al cuerpo. Por ejemplo, las células madre sanguíneas podrían manipularse para tratar afecciones como la anemia de células falciformes o la talasemia beta. Se vuelve más difícil con la transferencia de enzimas y ARN guía a otros órganos, pero los investigadores aún esperan que algún día puedan abordar una amplia gama de enfermedades hereditarias.

Sin embargo, muchos científicos también expresan su preocupación sobre cuánto queda por hacer antes de que CRISPR se pueda utilizar de forma segura y eficaz. Hay que aumentar la eficacia de la edición, pero por supuesto sin introducir cambios en otras partes del genoma y, por tanto, poner en peligro la salud del paciente. "Las enzimas no solo cortan en el lugar previsto, lo que puede tener muchas consecuencias", dice Haber. "Si desea reemplazar el gen de las células falciformes en una célula madre, primero debe preguntarse qué daño podría causar en otras partes del genoma".

Keith Joung está investigando la edición de genes en el Hospital General de Massachusetts en Boston y descubrió cómo se pueden reconocer los llamados cortes fuera del objetivo de la enzima Cas9, es decir, cortes colocados incorrectamente en el ADN. Su frecuencia parece variar mucho de una célula a otra y de una secuencia a otra. No solo su laboratorio ha encontrado sitios fuera del objetivo con frecuencias de mutación de 0,1 a más del 60 por ciento. Los cortes menos frecuentes e impredecibles también podrían ser peligrosos si aceleran el crecimiento celular y provocan cáncer, dice.

Con tantas preguntas sin respuesta, definitivamente debería poner freno a las expectativas de CRISPR, dice Katrine Bosley, directora general de Editas en Cambridge, Massachusetts, que actualmente está trabajando en el desarrollo de una terapia genética basada en CRISPR. Bosley gilt als alter Hase in der Markteinführung neuer Technologien und weiß, wie schwer die Leute von einer neuen Methode zu überzeugen sind. "Bei CRISPR ist es komplett das Gegenteil", stellt sie fest. "Alle sind so begeistert und positiv – aber wir müssen unbedingt realistisch bleiben und uns den Preis dafür vor Augen halten."

CRISPR und die Landwirtschaft

Während Anderson und viele seiner Kollegen die DNA in menschlichen Zellen verändern wollen, gibt es auch Ansätze im Bereich Ackerbau und Viehzucht. Bevor die Techniken zum Gene Editing auf den Markt kamen, wurden hier die gewünschten Gene meist an zufälliger Position ins Genom integriert, zusammen mit Sequenzen aus Bakterien, Viren oder anderen Spezies als Vehikel. Diese Methoden waren aber sehr ineffizient und standen immer in der Kritik, weil DNA verschiedener Spezies gemischt wurde oder andere Gene durch die Insertion eventuell zerstört wurden. Außerdem ist das Genehmigungsverfahren für genmanipulierte Nutzpflanzen so kompliziert und teuer, dass bisher fast nur an Massenprodukten wie Mais und Sojabohnen gearbeitet wurde.

Mit CRISPR könnte sich das ändern, weil das einfache und kostengünstige System auch für weniger häufige und speziellere Ackerpflanzen und Nutztiere interessant sein könnte. In den letzten Jahren haben Forscher mit der neuen Technik Minischweine sowie krankheitsresistenten Weizen und Reis hergestellt. Fortschritte gab es auch in Richtung enthornte Rinder, weniger krankheitsanfällige Ziegen und mit Vitaminen angereicherte süße Orangen. Doudna sieht ihre Liste von CRISPR-basierten modifizierten Organismen schon wachsen. "Das ist eine gute Möglichkeit für Experimente oder Manipulationen an Pflanzen, die aus kommerzieller Sicht nicht so attraktiv, für die Wissenschaft aber umso interessanter sind – oder vielleicht einfach für den Gemüsegarten", meint sie.

Weil sich mit CRISPR DNA-Sequenzen sehr gezielt und exakt editieren lassen, wird es für die Behörden und Landwirte noch schwieriger, genveränderte Organismen nach der Freigabe überhaupt noch zu erkennen. "Beim Einsatz von Gene Editing lassen sich die manipulierten Produkte nicht mehr nachverfolgen", weiß Jennifer Kuzma, die Wissenschaftspolitik an der North Carolina State University in Raleigh studiert. "Da lässt sich nur schwer erkennen, ob es sich um eine natürliche Mutante handelt oder um einen gentechnisch veränderten Organismus."

Das lässt nun die Alarmglocken bei Gegnern von gentechnisch veränderten Lebensmitteln läuten, und auch für die Länder stellen sich schwierige Fragen hinsichtlich der Vorschriften für geneditierte Pflanzen und Tiere. In den USA muss bisher erst die Gesundheitsbehörde FDA jedes gentechnisch veränderte Tier für den Verzehr durch den Menschen zulassen bis jetzt hat die Behörde aber noch nicht angekündigt, wie sie mit den neuen geneditierten Tieren verfahren wird.

Nach den bisherigen Regeln unterliegen nicht alle durch Gene Editing geschaffenen Kulturpflanzen den Vorschriften des US-Landwirtschaftsministeriums. Die Behörde arbeitet aber seit Mai an Verbesserungen der Vorschriften für genetisch veränderte Kulturpflanzen, was erste Anzeichen einer Neubewertung der Richtlinien mit Blick auf Technologien wie CRISPR sein könnten. "Die Tür ist offen", nennt es Kuzma. "Was passiert, werden wir sehen. Aber dass es überhaupt so weit kam, ist schon gut."

Veränderte Ökosysteme

Neben einem Einsatz in der Landwirtschaft wird auch schon darüber nachgedacht, ob CRISPR an Lebewesen in der freien Wildbahn eingesetzt werden könnte – oder vor allem sollte. Besonders intensiv wird diskutiert, ob sich ein manipuliertes Gen rasch durch eine "Gene Drive" genannte Technik in einer ganzen Population durchsetzen kann. Die Arbeiten hierzu stehen erst am Anfang, denkbar wäre aber, dass dies genutzt werden könnte, um Krankheitsüberträger wie Moskitos oder Zecken auszurotten, invasive Pflanzen zu eliminieren oder die Herbizidresistenz des Weidenröschens auszulöschen, gegen die so mancher Farmer in den USA zu kämpfen hat.

Normalerweise brauchen DNA-Veränderungen eines Organismus sehr lange, bis sie sich einer ganzen Population ausgebreitet haben. Das liegt daran, dass eine Mutation in der Regel nur auf einem der zwei Chromosomen auftritt und somit nur an die Hälfte der Nachkommen weitergegeben wird. Beim Gene Drive kopiert sich aber die auf einem der Chromosomen eingeführte Mutation selbstständig auf das Schwesterchromosom, so dass von Generation zu Generation letztendlich alle Nachkommen die Veränderung erben. Damit verbreitet sie sich exponentiell und schneller als sonst, und beispielsweise die in eine Stechmücke eingeführte Mutation könnte sich innerhalb einer Saison in einer großen Population ausbreiten. Wenn diese Mutation nun die Menge an Nachkommen reduziert, könnte damit relativ schnell die Population ausgerottet werden, zusammen mit all den Malariaparasiten, welche die Moskitos in sich tragen.

Viele Forscher sorgen sich aber eher darüber, dass die Veränderung oder gar Ausrottung einer ganzen Population drastische und unvorhersehbare Konsequenzen für das betroffene Ökosystem haben kann. Statt der einen Plage könnten dann andere aufkommen oder die Fressfeinde weiter oben in der Nahrungskette darunter leiden. Die Forscher warnen auch davor, dass die guide RNAs selber im Lauf der Zeit mutieren könnten und dann auch ganz andere Teile des Genoms verändern würden. Diese Mutationen würden sich dann wieder rasend schnell in der Population ausbreiten – mit nicht kalkulierbaren Folgen.

"Solche Ansätze müssen sich wirklich lohnen, weil sie möglicherweise nicht umkehrbar sind – dazu vielleicht auch nicht gewollt und mit schwer einschätzbaren Auswirkungen auf andere Spezies", sagt der Biotechnologe George Church von der Harvard Medical School in Boston. Im April 2014 veröffentlichte "Science" einen Kommentar von Church und einigen anderen Wissenschaftlern und Politikexperten, in dem sie die Forschergemeinde vor den Risiken warnten und neue Möglichkeiten zum Schutz vor unbeabsichtigter Freisetzung von experimentellen Gene Drives vorschlugen.

Damals schien es alles noch sehr weit weg zu sein, doch weniger als ein Jahr später berichtete der Entwicklungsbiologe Ethan Bier von der University of California in San Diego mit seinem Studenten Valentino Gantz von der Etablierung des CRISPR-Systems in Fruchtfliegen. Bier und Gantz hielten ihre Fliegen in drei ineinandergestellten Kästen und passten die Sicherheitsmaßnahmen im Labor denen für das Arbeiten mit malariainfizierten Moskitos an. Aber sie befolgten nicht alle von den Autoren des Kommentars geforderten Maßnahmen, wie beispielsweise eine Art Notbremse, um die Änderungen wieder zunichtezumachen. Laut Bier seien die bisherigen Experimente auch lediglich als Nachweis der generellen Funktion des Systems gedacht, bevor die Forscher komplexere Fragen angehen.

Nicht nur für Church ist das eine klare Warnung, wie die allgemeine Zugänglichkeit des Genom Editings mittels CRISPR unerwartete und unerwünschte Folgen haben kann. "Nun müssen sich die nationalen Regulierungsbehörden und internationalen Organisationen darum kümmern und die Lage wirklich in den Griff bekommen", meint der Politikwissenschaftler Kenneth Oye vom Massachusetts Institute of Technology, Erstautor des Kommentars in "Science". "Da muss einfach mehr passieren." Der nationale Forschungsrat der USA hat einen Ausschuss zum Thema Gene Drive gebildet, und langsam beginnen auch die Diskussionen auf höchster Ebene. Aber Oye sorgt sich wegen der rasanten Entwicklung und fürchtet, dass Änderungen der Vorschriften erst dann kommen werden, wenn Gene-Drive-Organismen schon unkontrolliert ins Freiland gelangt sind.

Doch alles hat zwei Seiten. Der Insektenökologe Micky Eubanks arbeitet an der Texas A&M University in College Station in Texas und war anfangs vom Gene Drive entsetzt. "Mein erstes Bauchgefühl war: Oh mein Gott, ist das schrecklich und unheimlich", erinnert er sich. "Wenn man sich aber etwas damit beschäftigt und es gegen all die Umweltveränderungen aufwiegt, die wir eh schon verursacht haben und auch noch weiter tun, dann fällt das neue System schon kaum noch ins Gewicht."

Im Rückblick betrachtet gab es bei der Einführung neuer Methoden oft euphorische Begeisterungsstürme, die dann nach und nach im Zuge der ersten Probleme in Bedenken und schließlich sogar Enttäuschung umschlugen. Wie so mancher Forscher weiß das auch James Wilson von der University of Pennsylvania in Philadelphia, der in den 1990er Jahren ganz enthusiastisch bei den ersten Ansätzen zur Gentherapie dabei war – allerdings auch beim Absturz, als bei einer klinischen Studie ein junger Mann verstarb. Das ganze Forschungsfeld geriet damals ins Trudeln und hat lange gebraucht, um sich wieder zu erholen. CRISPR ist noch ganz neu, sagt Wilson, und sein wirkliches Potenzial wird sich erst in vielen Jahren zeigen. "CRISPR ist noch in der Erkundungsphase und die Ideen müssen erst noch reifen."

Wilson ist schon jetzt von CRISPR überzeugt. Natürlich sei er anfangs skeptisch gewesen bei all den großspurigen Versprechungen, bis sein eigenes Labor auf einmal damit herumspielte. Am Ende wird CRISPR im Therapiebereich einmal seine Anwendung finden, prophezeit er: "Es ist schlicht ziemlich großartig".


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Neue Werkzeuge zum Schnippeln im Erbgut : Ist das Gentechnik oder kann das auf den Acker?

Neue Pflanzenzuchttechniken, die laut Gesetz nicht als Gentechnik gelten, stehen in der Kritik. Aber wer jede Veränderung eines Gens verteufelt, macht sich lächerlich. Ein Kommentar.

Der Aufschrei ist groß. 30 Biolobby-Organisationen, von Bioland bis zum Verband Katholisches Landvolk, echauffieren sich über eine Entscheidung des Bundesamts für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. Das Pflänzchen des Anstoßes ist eine neue, gegen bestimmte Unkrautvernichtungsmittel resistent gemachte Rapssorte, die von der kalifornischen Firma Cibus entwickelt wurde. Das Amt prüfte und stufte die Pflanze nicht als gentechnisch veränderten Organismus ein – sondern gab sie zum Anbau frei. Zum Entsetzen der Biolobby, denn der erbgutveränderte Raps falle „eindeutig“ unter das Gentechnik-Gesetz. Und wenn das 30 Naturschutzorganisationen sagen, dann kann so ein Amt ja nur unrecht haben. Oder?

„Bisher wird nicht einmal im Detail verstanden, wie genau die RTDS-Technik ihre Wirkung im Erbgut entfaltet“, schreibt Anti-Gentechnik-Aktivist Christoph Then von Testbiotech in einer Pressemitteilung. Doch. RTDS (für „Rapid Trait Development System“) wird verstanden. Und es ist auch gar nicht so schwer.

Keine Gentechnik sondern Mutagenese

Aber fangen wir mit einer Zuchttechnik an, die den ausdrücklichen Segen der Biolobby hat, der „EMS-Mutagenese“. Ethylmethansulfonat ist eine Chemikalie, die einzelne Bausteine der DNS verändert, vor allem Guanin. Das erzeugt eine Fehlpaarung in der DNS-Doppelhelix. Beim Vervielfältigen und Korrekturlesen der DNS korrigieren spezielle Enzyme der Zelle die Fehlpaarung so, dass anstelle des Guanins ein Adenin eingebaut wird. Wo im Erbgut diese Mutation entsteht, lässt sich mit dieser Technik nicht steuern. Züchter müssen aus Tausenden von Pflanzen, die mit EMS behandelt wurden, mühsam die mit der gewünschten Genveränderung heraussuchen. Diese Pflanzen haben dann aber nicht nur die eine gewünschte Genveränderung, sondern die EMS-Chemikalie verursacht auch in anderen Erbgutabschnitten ungewollte Mutationen. Schätzungsweise jeder 300 000ste Erbgutbaustein wird mit der Methode verändert – also gegebenenfalls tausende im 1,3 Milliarden Bausteine großen Rapsgenom.

Die Zelle selbst verändert ihr Erbgut

So weit also die Technik, die die Biolobby akzeptiert. Bei der RTDS-Technik von Cibus werden kurze Erbgutstücke (40 Bausteine lang) in den Zellkern eingeschleust. Sie können nicht ins Pflanzenerbgut eingebaut werden, sie sorgen lediglich dafür, dass in einem ganz bestimmten Abschnitt im Erbgut eine Fehlpaarung entsteht. So wie bei EMS, aber im Unterschied dazu nur an einer und nicht an Tausenden von Stellen im Genom. Es sind dann wieder die zelleigenen Korrektur-Enzyme, die die Fehlpaarung so korrigieren, dass das Gen verändert wird.

Der Unterschied zwischen den beiden Methoden liegt also nur darin, dass RTDS Gene viel gezielter als EMS verändert. Eindeutig ein Vorteil gegenüber der schrotschussartigen EMS-Methode. Und genauso eindeutig ist RTDS wie EMS eine „Mutagenese“-Methode – und gilt damit laut deutschem Gentechnikgesetz ausdrücklich „nicht als Verfahren der Veränderung genetischen Materials“.

Mutation auch auf natürlichem Wege möglich

Als gentechnisch verändert werden dort nur Organismen eingestuft, „deren genetisches Material in einer Weise verändert worden ist, wie sie unter natürlichen Bedingungen (. ) nicht vorkommt“. Auch das trifft auf Cibus’ Raps nicht zu, denn die Veränderung eines einzelnen Genbausteins kann auch zufällig passieren. Kein Test könnte unterscheiden, ob die Veränderung des Cibus-Rapses natürlichen oder menschlichen Ursprungs ist.

Der Fall des Cibus-Rapses ist deshalb so absurd, weil die Methode Züchtern auch ermöglicht, in Nutzsorten vorteilhafte Mutationen aus Wildvarianten einzustellen. Mit herkömmlichem Kreuzen dauert das aber Jahre. Warum sollte es „böse Gentechnik“ sein, solche in der Natur ohnehin vorkommenden Genvarianten mit RTDS direkt und schnell in den Kulturpflanzen herbeizuführen?

Nicht die Herstellungstechnik sollte über das Ausmaß behördlicher Prüfung entscheiden, sondern die Veränderungen der Pflanze sollten im Mittelpunkt stehen, betonten erst kürzlich mehrere Wissenschaftsorganisationen. Denn nur weil etwas per Gentechnik gezüchtet wurde, muss es nicht per se ein Risiko sein. Und nur weil etwas gentechnikfrei entstand, ist es nicht zwangsläufig harmlos. Doch dazu müsste die Biolobby endlich den Reflex überwinden, alles zu verteufeln, was Gene verändert.


Video: Ingeniería genética en el medioambiente (Enero 2022).