Gene editieren – die neuen molekularen Werkzeuge, um gezielt und präzise einzelne DNA-Bausteine umschreiben zu können, haben Wissenschaft und Forschung elektrisiert. Überall herrscht Aufbruchstimmung, auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung. Doch: Was ist das Besondere an diesen Verfahren? Was können sie tatsächlich leisten? Was geht, und was geht nicht?

Genome Editing - dieser Begriff umfasst einige neue molekularbiologische Verfahren (CRISPR/Cas,TALEN), mit denen es möglich geworden ist, die Erbsubstanz DNA gezielt zu durchschneiden und sie genau an dieser Stelle zu verändern. Auf diese Weise können Gene – genauer: einzelne DNA-Bausteine – umgeschrieben oder „editiert“ werden. Inzwischen werden solche Verfahren oft als „Gen-Schere“ bezeichnet.

Alle Verfahren nutzen natürliche Mechanismen. So stammt etwa das CRISPR/Cas-System aus Bakterien. Es dient ihnen als eine Art Immunsystem, mit dem sie Angriffe von Viren erkennen und abwehren können. Erst vor wenigen Jahren (2012) hatten die beiden Molekularbiologinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier die geniale Idee, daraus ein neues, nahezu revolutionäres Werkzeug zu entwickeln. Zur großen Überraschung funktioniert es nicht nur bei Bakterien, sondern universal bei allen lebenden Zellen – in menschlichen, aber auch in denen von Tieren und Pflanzen.

Im Kern laufen alle Genome Editing-Verfahren in drei Schritten ab: Zunächst muss im riesigen Genom – das oft aus Milliarden Basenpaaren (DNA-Bausteine) besteht – punktgenau die Stelle gefunden und angesteuert werden, bei der eine Änderung durchgeführt werden soll. Dazu konstruiert man eine geeignete molekulare „Sonde“. Bei CRISPR/Cas, dem inzwischen am häufigsten eingesetzten Genome Editing-Verfahren besteht sie aus RNA-Abschnitten (auch Guide RNA genannt), die genau der DNA-Abfolge der jeweiligen Zielsequenz entspricht. Wenn die Sonde diese „gefunden“ hat, dockt sie dort an, um den DNA-Doppelstrang genau an dieser Stelle mit einer molekularen „Schere“ zu durchschneiden - bei CRISPR ist es das Cas9-Protein, welches an die RNA-Sonde gekoppelt ist.

Anschließend treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion: Sie flicken den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen - allerdings meist mit kleinen Fehlern. Die Folge: Das betreffende Gen kann nicht mehr richtig abgelesen werden und ist so blockiert. Möglich ist auch, bei der Reparatur einzelne DNA-Bausteine auszutauschen oder kurze Sequenzen neu in den DNA-Strang einzubauen.

Der grundlegende Mechanismus - das Herbeiführen eines Doppelstrangbruchs und die anschließende Reparatur mit kleinen Fehlern - ist derselbe wie bei jeder zufälligen natürlichen Mutation. Auch die herkömmliche Mutationszüchtung beruht auf diesem Vorgang. Nur werden dabei solche Brüche durch Bestrahlung oder Chemikalien ausgelöst, unkontrolliert und in großer Zahl. Der entscheidene Unterschied: Beim Genome Editing geschieht es präzise nur an einer einzigen Stelle im Genom - genau an der, die für die zu verändernde Eigenschaft verantwortlich ist.

Vor allem CRISPR/Cas ist ein vergleichsweise einfaches Verfahren. Die Kosten für die benötigten molekularen Instrumente und deren Einführen in eine Pflanzenzelle sind weitaus niedriger als bei anderen molekularbiologischen Verfahren.

Allerdings: Ganz so simpel ist es nicht. Um ein bestimmtes Merkmal zu ändern oder zu optimieren, müssen die zu editierenden Gene und ihre Funktion vollständig bekannt sein. Die Wissenschaftler müssen ihr Ziel und den Ort im riesengroßen, Milliarden DNA-Bausteine großen Erbgut genau kennen – und wissen, was und wie sie dort „umschreiben“ wollen. Das setzt viel Genomforschung voraus und ein genaues Wissen um die molekularbiologischen Prozesse in der Pflanzenzelle.

Weniger Zufälligkeiten

Genome Editing verringert die Probleme, die aus den Zufälligkeiten der Züchtung erwachsen – das bedeutet Zeit- und Kostenersparnis, aber auch mehr Sicherheit durch mehr Präzision. Das unterscheidet die neuen Verfahren von der herkömmlichen Züchtung, aber auch von der Gentechnik.

Bei der klassischen Gentechnik ist es vom Zufall abhängig, an welcher Stelle im Genom einer Pflanze das neue Genkonstrukt integriert wird. Dieser ungezielte Einbau des „fremden“ Gens in bestehende Gen-Regionen kann deren Funktion beeinträchtigen und so die Eigenschaften einer Pflanze nachteilig verändern. Solche „unbeabsichtigten Nebenwirkungen“ sind ein wesentlicher Grund dafür, dass für gv-Pflanzen in fast allen Ländern der Welt Zulassungsverfahren vorgeschrieben sind.

Bei der herkömmlichen Kreuzungszüchtung vermischen sich die Gene aus Mutter- und Vaterlinie nach dem Zufallsprinzip. Es kostet viel Zeit, anschließend die Nachkommen mit den „richtigen“ Genkombinationen zu finden. Oft sind mehrere, sich über Jahre hinziehende Rückkreuzungsschritte erforderlich, um unerwünschte Eigenschaften zu eliminieren.

Ähnlich ist es bei der Mutationszüchtung: Durch Bestrahlung oder Chemikalien werden Mutationen zufällig und in großer Zahl ausgelöst. Es müssen diejenigen Pflanzen gefunden werden, welche die zu den gewünschten Merkmalen führenden Mutationen enthalten, dagegen möglichst wenige, die sich nachteilig auf die erwünschten Eigenschaften einer Pflanze auswirken.

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Letzte Aktualisierung: 21.08.2018