Ein Prinzip der Gentechnik

Wer an klonen denkt, denkt meist an das Schaf «Dolly», das erste geklonte Säugetier oder vielleicht noch an den Film «Star Wars - Angriff der Klonkrieger». Meist meint man damit eine künstliche Verdoppelung eines Lebewesens. Klonen bedeutet aber mehr als das. Klone sind in der Natur weit verbreitet, weil sie sich rasch asexuell vermehren können: Die meisten Einzeller und viele Pflanzen wie Erdbeeren vermehren sich per Klonen. Diese Art der Fortpflanzung ist die älteste Form der Vermehrung, denn die ersten Lebewesen auf der Erde waren einzellig. In der Landwirtschaft ist Klonen eine effiziente Methode, um zum Beispiel eine bestimmte Apfelsorte zu erhalten.

Menschen sind nur dann untereinander Klone, wenn es sich um eineiige Zwillinge handelt. Eineiige Zwillinge entstehen bei einer Teilung des Embryos im Mutterleib. Per Definition ist ein Klon eine Gruppe genetisch identischer Individuen oder Zellen, die aus einem gemeinsamen Vorläufer entstehen.

Die wundersame Vermehrung der Seesterne

Eine weniger bekannte Form des Klonens ist die Regeneration wie sie zum Beispiel gewisse Seestern-Arten praktizieren: Schneidet man einem Seestern einen Arm ab, so wachsen aus beiden Teilen wieder neue Seesterne. Bei Eidechsen ist dies abgeschwächt auch möglich: Wird der Schwanz der Eidechse abgerissen, zum Beispiel bei einem Fluchtversuch, so entsteht ein neuer. Allerdings entsteht aus dem abgerissenen Schwanz keine neue Eidechse. Je höher die Organismen, umso kleiner ist die Regenerationsfähigkeit. Bei Vögeln und Säugetieren ist sie auf die Wundheilung und die Heilung von Knochenbrüchen beschränkt.

Gene vervielfältigen

Wenn Wissenschaftler von Genklonieren sprechen, dann meinen sie nicht die Vervielfältigung eines Organismus, sondern die eines bestimmten Gens. Genklonierung ist ein wichtiger Bestandteil der Gentechnik und meist Voraussetzung, um ein Gen untersuchen zu können. Die Methode gehört heute zur täglichen Routine in vielen medizinischen und biologischen Labors.

Wenn Forscher ein menschliches Gen untersuchen möchten, so haben sie ein Problem, denn Gene sind nicht zugänglich wie zum Beispiel ein Automotor, bei dem man lediglich die Haube des Autos öffnen muss, um den Motor näher zu untersuchen. Das Gen muss zunächst zugänglich gemacht werden. Mit der Klonierung erreichen die Forscher zudem, dass sie das entsprechende Protein herstellen können, um es zu studieren oder praktisch zu nutzen.
 
Wenn Forscher zum Beispiel das Insulin-Gen klonieren möchten, so können sie dem Menschen eine Speichelprobe entnehmen, denn der Speichel enthält viele Zellen der Mundschleimhaut und jede Zelle enthält das gesamte Erbgut. Das Erbgut wird vom restlichen Zellmaterial gereinigt und im Reagenzglas ausserhalb des menschlichen Körpers weiter untersucht. Das nächste Problem besteht darin, innerhalb des Erbguts das richtige Gen zu finden. Menschliche Gene sind meist einige tausend bis zehntausend Bausteine lang, das Erbgut umfasst aber 3,2 Milliarden Bausteine. Das richtige Gen zu finden, entspricht demnach der Suche nach der Nadel im Genhaufen.

Die Hilfsmittel der Genklonierung

Deshalb bedienen sich die Forscher einiger Hilfsmittel. Ein unentbehrliches Klonierungs-Hilfsmittel sind so genannte Restriktionsenzyme (Grafik 2.1). Diese Enzyme sind vergleichbar mit Wachhunden: In der Natur schützen sie Bakterien vor fremder DNA, etwa wenn Viren ihr Erbgut in das Bakterium übertragen. Dann erkennen Restriktionsenzyme die fremde DNA und zerstückeln sie in einem Vorgang, den man als Restriktion bezeichnet. Restriktionsenzyme können zwischen eigener und fremder DNA unterscheiden, denn die eigene DNA ist markiert, das heisst, sie ist an bestimmten Stellen mit einem chemischen Molekül versehen (Methylgruppe), welche wie eine Fahne funktioniert. Fremde DNA hingegen trägt diese Fahne nicht.

Restriktionsenzyme arbeiten äusserst spezifisch: Sie erkennen kurze DNA-Sequenzen und schneiden den Faden. Ein von Forschern in Experimenten oft verwendetes Restriktionsenzym heisst Eco RI, das erste beim Bakterium Escherichia coli (E. coli) entdeckte Restriktionsenzym. Es erkennt und schneidet die Sequenz GAATTC, wobei es sogenannte klebrige Enden («sticky ends») hinterlässt (siehe Filmsequenz «Recombinant DNA Technology»). Auf diese Weise entstandene DNA-Stücke (Fragmente) können relativ einfach wieder untereinander verknüpft werden.

Neben den Restriktionsenzymen sind Plasmide ein weiteres Hilfsmittel für eine Klonierung. Plasmide sind «Gen-Taxis»: Sie können fremde DNA aufnehmen und in Bakterien überführen. Bakterien, zum Beispiel so genannte E. coli-Bakterien, übernehmen dann die Produktion der Gene und Proteine. E. coli-Bakterien sind die Hauptversuchsorganismen sehr vieler Forschungslabors, sie sind das naturwissenschaftlich bestuntersuchte Lebewesen.

Damit die Klonierung funktioniert, brauchen Forscher einen Trick: Die verwendeten Plasmide können nicht nur DNA aufnehmen, sie besitzen zusätzlich ein Gen, das den Bakterien, welche das Plamid aufnehmen, eine Resistenz gegenüber dem Antibiotikum Ampicillin verleiht. Antibiotika sind die effizientesten Arzneien, um Bakterien abzutöten (siehe Grafik 2.2).

Die Restriktionsenzyme Eco RI zerschneiden in unserem Versuch die menschliche DNA, die wir aus der Speichelprobe gewonnen haben. Dadurch entstehen tausende DNA-Stücke - eines davon enthält das gesuchte Insulin-Gen. Mit den gleichen Enzymen zerschneiden wir auch die bakteriellen Plasmide. Aufgrund der klebrigen Enden können wir die einzelnen Stücke wieder zusammenführen. Viele Plasmide werden nichts aufnehmen, viele nehmen menschliche DNA auf und wenige werden das gesuchte Insulin-Gen aufnehmen. Die Plasmide werden dann in E. coli-Bakterien eingeschleust.