Das Wichtigste in der Übersicht:
- Pflanzen und Tiere werden seit rund 12.000 Jahren gezüchtet und domestiziert
- Über 3.000 pflanzliche Lebensmittel sind heute nur dank jahrelanger Züchtung essbar, sie stammen nicht von „Mutter Natur“
- Produkte, die durch Mutationszüchtung entstehen, dürfen als Bio gekennzeichnet werden
- Mutationen werden durch Fehler bei der Zellreplikation oder durch Mutagene (z.B. Strahlung) verursacht
- Viren und Bakterien können ihre genetischen Informationen an andere Organismen übertragen und integrieren
- Konventionelle Züchtung arbeitet mit künstlich erzeugten Mutationen und ist nicht mit natürlich (durch Evolution) vorkommenden Organismen gleichzusetzen
- Moderne Gentechnik ist effizienter, präziser und ressourcensparender als konventionelle Züchtung
- Gentechnik kann auch zur Erzeugung transgener freier Organismen (ohne „fremde Gene“) verwendet werden
- Weltweit gibt es unterschiedliche Gentechnikgesetze, in Europa gibt es keinen Unterschied zwischen den einzelnen Methoden
Die Gentechnik Debatte
Das kuriose an der Debatte ist, dass sie fast nur in Europa stattfindet und es ausschließlich um unsere Lebensmittel geht. Das wir bereits in ganz anderen Bereichen von der Gentechnik regelrecht abhängig sind, wird vernachlässigt und ausgeblendet.
Das größte Problem ist, dass wir uns in der EU auf Gentechnikgesetze berufen, die über 20 Jahre alt sind. Dabei werden neue Techniken nicht berücksichtigt bei denen die Pflanzen gar keine „fremden Gene“ enthalten, sondern nur punktuelle Mutationen erstellt werden. Es fehlt die Differenzierung.
Das die Gentechnik Vor- und Nachteile hat, ist unumstritten.
Heute gehen wir nur auf den methodischen Vergleich der Züchtungsvarianten ein und schauen uns in einer anderen Folge die allgemeinen Vor- und Nachteile an.
Die Angst davor, „Frankensteins-Gemüse“ zu essen und mit solchen Pflanzen die Umwelt zu verpesten, ist groß. Bienen könnten von dem Pollen solcher Pflanzen krank werden und sie sollen unsere heimischen Pflanzen verdrängen.
Dabei wird größtenteils an Nutzpflanzen geforscht, die gar nicht von der Biene abhängig sind, wie es bei allen Gräsern und damit Getreidearten der Fall ist.
Natürlich werden noch andere Pflanzen erforscht, die eventuell auf die Bestäubung angewiesen sind, jedoch stehen hier andere Ziele im Vordergrund als die Pollenstruktur zu verändern. Vielmehr ist es das Ziel ertragreichere, resistente oder anpassungsfähigere Pflanzen zu erschaffen, durch gezielte Punktuelle eingriffe.
Solche Eingriffe sind in der traditionellen Züchtung nicht möglich, worauf wir später noch zu sprechen kommen.
Es werden weltweit gentechnisch veränderte Lebensmittel angebaut und von Mensch und Nutztier verzehrt. Tatsächlich haben wir mittlerweile weit über 15 Jahre Langzeitstudien, die beweisen, dass solche GMO‘s nicht gesundheitsschädlich sind. Die erste veränderte Pflanze in einem Freilandversuch gab es bereits 1986.
Für das Sterben der Artenvielfalt sind tatsächlich andere Faktoren ausschlaggebend, welche ich bereits in den Folgen „Alles Bio, Alles gut?“ behandelt habe. Verantwortlich dafür ist hauptsächlich die Überdüngung der Böden. Es wird zu viel Gülle und Kunstdünger auf die Felder getragen.
GMO‘s können natürlich potentiell „heimische Arten“ verdrängen, was jedoch sehr unwahrscheinlich ist, weil sie langwirtschaftlich bewirtet werden und sich damit in der Regel nicht ausbreiten. Sie sind an ganz besondere Bedingungen angepasst und verbreiten sich alleine deswegen nicht ungehindert in der Natur. Nutzpflanzen benötigen in der Regel sehr nährstoffreiche Böden die es so in der Natur kaum gibt. In anderen Standtorten werden die GMO‘s sich erst einmal behaupten müssen, gegenüber den Arten, die an diesen Standort angepasst sind.
Auch das Verbreiten der Gene, kann relativ leicht verhindert werden, indem genügend Abstand zu solchen Feldern gehalten wird. Der Pollen von Selbstbestäubern, wie beispielsweise der vom Mais, fliegt auch bei starkem Wind nicht viel weiter als 20 Meter. Dennoch ist eine Fremdbestäubung von nicht veränderten Pflanzen möglich. Dabei kann das veränderte Gen weitergegeben werden und unfreiwillig einen Teil der Ernte verändern. Dadurch kann ein wirtschaftlicher Schaden entstehen, weil diese Ernte nicht mehr zur Aussaat oder dem Verkauf verwendet werden kann. Dieses Problem kann jedoch verhindert werden.
Ob wir in der Lage sind Designer Babys (genetisch modifizierte Menschen, bei denen äußere Merkmale, Charakter und Intelligenz angepasst werden) zu erschaffen und komplett neue Gemüse Arten, möchte ich mit dieser Folge klären.
Weil es etwas tiefer in die Materie geht, empfehle ich dir vorab die Folge über Gentechnik zu hören, um ein Grundwissen über unsere DNA zu erhalten.
Die moderne Welt ist voller Gentechnik
Eine moderne Welt ohne Gentechnologie ist nicht mehr vorstellbar, denn es werden neben Lebensmittel eine ganze Reihe weiterer Organismen verändert. Wir benötigen Gentechnik um moderne Medikamente herstellen zu können, wie Krebsmedikamente, Impfstoffe und humanes Insulin. Ein Großteil der Diagnostik benötigt Antikörper, die beispielsweise in Bakterien oder Hefen hergestellt werden.
Doch auch die Industrie funktioniert gar nicht mehr ohne diese Technik.
Materialwissenschaften brauchen Mikroben für bestimmt Stoffwechselprodukte, aus denen Verpackungen werden können und gentechnisch veränderte Hefen finden unter anderem Einsatz in der Bierproduktion. Mikroben produzieren Vitamine und andere wichtige Stoffe, die wir in Nahrungsergänzungsmittel finden.
Doch das wohl am häufigsten verwendete Material, dass von sogenannten GMO‘s stammt, ist die Baumwolle. Nur dank dieser Technik können wir heute die Baumwollpflanze weltweit anbauen und unsere Kleidung zu Spottpreisen kaufen.
Obwohl die EU den Anbau verbietet, importieren wir beispielsweise gentechnisch veränderte Futtermittel aus Asien, Amerika und anderen Ländern dieser Welt, um unser Fleisch effizient und kostengünstig zu produzieren. Warum bauen wir nicht gleich selbst die Futtermittel an oder importieren Fleisch aus extensiver Landwirtschaft?
Der große Vergleich der Züchtungsmethoden
Die traditionelle Züchtung gilt im Allgemeinen als eine der natürlichsten und sichersten Arten der Züchtung.
Tatsächlich züchten wir alle unsere Lebensmittel und domestizieren unsere Nutz- und Haustiere erfolgreich seit mehr als 12.000 Jahren. Dabei war es ein sehr langer Weg von den natürlichen Urpflanzen zu den heutigen Nutzpflanzen, der tausende Jahre gedauert hat. Bananen waren früher fast ungenießbar und bestanden zu 80% aus Kernen. Mais katte einen Kolben und generell gab es eine ganze Reihe von Obst- und Gemüsesorten noch gar nicht. Es war ein langer Weg und teilweise konnten wir unsere Pflanzen nicht ausschließlich nach den Mendlischen Regeln züchten.
Die Systematische Pflanzenzüchtung nach Mendel ist genau genommen dabei schon angewandte Gentechnik. Denn es werden dabei gezielt Informationen ausgetauscht und Merkmale kombiniert.
Kreuzungszüchtung
Erst das gezielt Züchten von äußeren Merkmalen (Phänotyp) brachte unsere heutig Pflanzen hervor. Bei der sogenannten Kreuzungszüchtung muss bereits innerhalb einer Pflanzenart, eine Kultur- oder Wildpflanze mit den gewünschten Merkmalen vorhanden sein. Das ist eine Voraussetzung.
Wenn beispielsweise der Ertrag von einer Bohnenpflanze gesteigert werden soll, wird dafür eine Pflanze benötigt, die bereits mehr Bohnen produziert als andere.
Wird jetzt diese Bohne mit einer gekreuzt, die Größe Früchte produziert, kommt im Optimalfall eine Pflanze mit vielen und großen Früchten dabei heraus.
Das Problem ist jetzt leider, dass es nicht steuerbar ist, welche jeweiligen Erbinformationen übertragen werden. Auch könnten negative Eigenschaften mit hineingekreuzt werden. Wenn beispielsweise hierbei die ausgewählte Bohne mit großen Früchten, anfälliger gegenüber Schädlingen und Schimmel ist, soll diese Informationen natürlich nicht in die neue Pflanze integriert werden.
Also müssen mehrere Pflanzen hergestellt werden und oftmals die negativen Eigenschaften zurückgekreuzt werden. Weil hierbei immer die phänotypischen Eigenschaften im Vordergrund stehen, wird viel Inzucht betrieben, was den natürlichen Genpool einer Art stark dezimiert. Ein Genpool ist die Gesamtheit an Erbinformationen einer gesamten Art. Je mehr sich die einzelnen Individuen von einer Pflanzenart im Genotyp (in der Erbinformation) unterscheiden, desto anpassungsfähiger und gesünder ist diese Art.
Beispielsweise haben wir Menschen alle eine ähnliche DNA. Sie unterscheidet sich jedoch in wenigen stellen und die Anordnung der Gene kann leicht unterschiedlich sein. Kleine Mutationen oder epigenetische Modifikationen sorgen dafür, dass wir alle so unterschiedlich sind. Inzucht reduziert diese Vielfalt, weil immer die gleichen Gene gekreuzt werden. Dabei entstehen beispielsweise häufiger Fehler.
Bei Menschen und Tieren führt Inzucht bekannter weise zu Krankheiten, was bei den Pflanzen ähnlich ist. Es ist jedoch nicht ganz so gravierend, da Pflanzen oft mehr Chromosomenpaare besitzen als wir Menschen und Tiere. Wir sind diploide Lebewesen, unser Erbgut ist immer in je zwei Chromosomen geschrieben. Wir besitzen sozusagen ein Backup, falls ein Chromosom schaden nimmt. Pflanzen können unter anderem hexaploid sein, diese Pflanze besitzt dann dreimal einen Doppelten Chromosomensatz.
Der Nachteil hierbei ist, dass es mehrere Generationen dauert, wirklich nur die gewünschten Eigenschaft zu erhalten. Da bei dieser Technik nicht steuerbar ist, welche Informationen übertragen werden sollen, entstehen hierbei auch recht viele Mutationen, die negative oder unentdeckte Eigenschaften besitzen, welche nicht gewünscht sind. Deswegen dauert dieses Verfahren auch mehrere Jahre bis Jahrzehnte.
Mutationszüchtung
Bei dieser Methode handelt es sich immer noch um eine konventionelle Methode, bei der entstanden Pflanzen auch das Bio-,Öko- und Demeter-Siegel bekommen können. Es wird keine „fremde DNA“ eingeschleust, sondern mit Artverwandten weiter gekreuzt.
Da in der Natur nicht alle gewünschten Merkmale vorhanden sind, muss man „der Evolution“ ein keinen Schubs geben. Mutationen sind der natürliche Treiber der Evolution. Bei dieser Züchtungsmethode wird versucht so viele Mutationen wie möglich zu erzeugen.
Es werden also Pflanzen mit Chemikalien, radioaktiver Strahlung oder anderen Mutagenen behandelt, um möglichst viele Mutationen zu erzeugen. Weil diese Methode nicht gezielt eingesetzt werden kann, wird sie auch Schrotflintenmethode genannt.
Dabei mutiert der Organismus zufällig und bekommt meist mehrere hunderte bis tausende Mutationen auf einmal. Deswegen kommen bei dieser Methode deutlich über 95% nutzlose, verkrüppelte Pflanzen heraus, die nicht lebensfähig und/oder zur weiteren Zucht nicht genutzt werden können. Sie werden vernichtet.
Falls eine interessante Pflanze dabei rauskommt, zum Beispiel eine Pflanze mit mehr Blütenständen, wird versucht diese neue Eigenschaft in die Kulturpflanze zu übertragen.
Weil hierbei jedoch das gesamte Genom der mutierten Pflanze „zerschossen“ wurde, werden mehrere Rückkreuzungen gebraucht, die sehr aufwendig sind. Es wird bei einer Kreuzung immer zu Hälfte die Informationen der Mutter- und zur anderen Hälfte der Vaterpflanze gekreuzt, weshalb die Hälfte der Mutationen rausfliegt. Bei allen Nachkommen muss jetzt geschaut werden, dass aber die gewünschte Eigenschaft der Blütenstände immer noch vorhanden ist.
Die Pflanzen die diese Information noch besitzen, werden weiter zurück gekreuzt.
Dieser Schritt wird so lange wiederholt, bis fast keine anderen Mutationen mehr in den Genen vorhanden sind, die nicht gewünscht sind. Das kann unter Umständen sehr viele Generationen und damit auch Jahre bis Jahrzehnte dauern.
Das Problem hierbei ist, dass niemals alle unerwünschten Mutationen heraus gezüchtet werden können und das gesamte Genom nicht analysiert wird. Es ist zu aufwendig. Damit können sich unerkannte Mutationen in diesen Organismen verstecken. Selbstverständlich ist auch hier eine Sicherheitskontrolle vorhanden, um zu überprüfen ob die so entstandenen Pflanzen genießbar sind.
Nach dieser Züchtungsmethode sind fast alle unserer heutigen pflanzlichen Lebensmittel entstanden. Über 3.000 Nahrungsmittel weltweit, die wir heute im Supermarkt kaufen können, wurden mit chemischen oder radioaktiven Substanzen behandelt. Diese Lebensmittel sind nicht gekennzeichnet und werden nicht in so einer intensiven Art und Weise erforscht, wie die gentechnisch gezüchteten Organismen.
Klassische Gentechnik
Die recht junge Gentechnik wird erfolgreich in verschiedensten Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel bei der Pflanzenzüchtung.
Hierbei können nicht Kreuzband Arten mit einander Kombiniert werden und Gene aus anderen Organismen in das Erbgut von Kulturpflanze eingebaut werden. Das bedeutet, dass beispielsweise Gene einer Bananenpflanze in das Chromosom von einer Weizenpflanze integriert werden können (ob das sinnvoll ist sei dahingestellt). Außerdem können Erbinformationen aus komplett anderen Arten, wie Bakterien, Pilze und Tiere beispielsweise in Pflanzen eingebaut werden.
Somit ist man in der Lage neue Sorten zu züchten, die sonst nicht denkbar wären.
Es gibt in der Natur nicht immer einen geeigneten Wildtyp, der bereits eine wünschenswerte Eigenschaft besitzt. Außerdem kann hier mit vergleichsweise wenig Auffand, die gleiche Pflanze erzeugt werden, was bei normalen Züchtungsmethoden Jahrzehnte dauern kann.
Die Voraussetzung ist jedoch, dass das Gen für die bestimmte Resistenz bekannt ist und das Pflanzengenom erforscht ist.
Es können Gene aus komplett anderen Organismen eingebracht werden, um beispielsweise Resistenzen gegenüber Fressfeinden oder gegen Pilze und Spritzmittel zu erzeugen.
Ebenso können Pflanzen anpassungsfähiger gegenüber schlechten Umweltbedingungen, wie Dürren oder säurehaltige Böden, gemacht werden.
Es handelt sich dabei immer noch um verhältnismäßig kleine Eingriffe, wobei einzelne „fremde Gene“ hinzugefügt werden, jedoch nicht das gesamte Genom umstrukturiert wird. Die Erbinformation besteht aus mehreren Genen und verschiedensten Regulatoren. Die Gene beinhalten die Information und die Steuereinheiten koordinieren, wie oft welches Gen abgelesen wird. Aus technischer Sicht sind wir in der Lage neue Organismen mit zusätzlichen Genen oder weniger Genen zu erzeugen.
Die gesamte Organisation in einem Organismus und damit die Grundstruktur zu verändern und komplett neue Wesen zu erzeugen, ist in diesem Umfang noch nicht möglich.
Der Aufwand, eine Pflanze erfolgreich gentechnisch zu verändern war vergleichsweise hoch und der Erfolg lag je nach Organismus bei ca. 1-5%. Somit müssen pro Versuch viele Pflanzen behandelt werden um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Die Anzahl, wie oft das „Fremdgen“ eingebaut wird, ist nur bedingt kontrollierbar, ebenso wie der Ort.
Das änderte sich jedoch mit der Einführung der modernen Genschere CRISPR/CAS 9, wo zumindest der Ort zu 99,9% steuerbar ist.
Um fremde Gene in eine Zelle einzuschleusen, wird ein Vekorsystem genutzt.
Zuerst wird das gewünscht Gen, beispielsweise ein Resistenz Gen, isoliert. Dafür wird es aus dem Genom des Spenderorganismus herausgeschnitten (Restriktion). Anschließend wird es in bekannte und vermehrungsfähige DNA-Systeme integriert (Ligation). Das so entstandene DNA-Molekül wird als Vektor oder Genfähre bezeichnet und in einen geeigneten übertragen Organismus eingebaut.
Sollen Pflazen gentechnisch verändert werden eignet sich beispielsweise das Agrobacterium Tumefaciens, welches von Natur aus sein eigenes Gen in die Pflanze einschleust. Zuvor wird in das Bakterium der Vektor eingebaut, damit wirklich die Fremde DNA Integriert wird.
Je nach dem um welchen Organismus es sich handelt der verändert werden soll, können Viren, Bakterien oder sogar Partikel verwendet werden.
Wegen der Gesetzeslage ist die Zulassung von solchen Pflanzen sehr aufwändig und teuer, weshalb es sich nur größere Weltkonzerne, oder staatlich geförderte Einrichtungen überhaupt leisten können.
Bis es solche Pflanzen auf den Markt schaffen, müssen umfangreiche Sicherheitsstudien gemacht werden. Außerdem gelten im jeden Land andere Regeln, weshalb eine Etablierung schwierig ist.
Cisgenetik
Diese besondere Form der Gentechnologie, orientiert sich an der klassischen Kreuzungszüchtung. Denn es werden hier nur Gene mit einander kombiniert, die es auch potentiell so in der Natur gibt.
Hierbei wird also auch auf den natürlichen Genpool zurückgegriffen und es muss bereits eine Wild- oder Kulturpflanze geben, welche die gewünschten Eigenschaften beisetzt.
Beispielsweise wird das Resistenzgen einer wilden Rapssorte isoliert und dann mit einem gentechnischen Verfahren, Beispielsweise der Agrobakterien vermittelten Transformation, in die Kultursorte eingebracht.
Wenn aus technischen Gründen weitere „fremde Gene“ benötigt werden, etwa ein Markergen, wird es im zweiten Schritt wieder aus der Pflanze entfernt. Damit soll sichergestellt werden, dass wirklich nur auf den natürlichen Genpool zurückgegriffen wird. Ein Markergen wird beispielsweise benötigt um einfacher zu erkennen, ob die gentechnische Transformation erfolgreich war.
Das Ergebnis der Züchtung ist also das gleiche, wie bei der klassischen Methode. Dabei ist diese Variante jedoch schneller und präziser, weil alle anderen Eigenschaften der Kulturpflanze unberührt bleiben.
Lediglich der Ort, an dem das Gen eingebaut wird, war nicht steuerbar und kann damit theoretisch andere Gene in ihrer Funktion beeinträchtigen. Mit ,CRISPR hat sich das jedoch geändert.
Die nach der Cisgenetik entstandene Pflanzen werden ebenfalls als gentechnisch Verändert angesehen. Damit sind die Marktchancen sehr gering.
Genom Editing
Dieses recht neue Verfahren macht sich vor allem die Reparaturmechanismen der Zellen zu nutze.
Hierbei kommt das Gentool CRISPR/CAS zum zum Einsatz, welches in der Lage ist gezielte Schnitte in der DNA zu machen. Das setzt allerdings voraus, dass das Genom bereits gut erforscht wurde und die einzelnen Regionen der Gene, sowie deren Wirkung bekannt sind.
Das Gentool besteht aus einem Enzymkomplex mit einer so genannten Guide-RNA. Die RNA ist dafür verantwortlich, dass der Komplex an einer bestimmten Stelle in der DNA bindet. Das Enzym schneidet dann dort das Erbgut in zwei Hälften, sodass ein Doppelstrangbruch entsteht.
Diesen Bruch will die Zelle sofort wieder reparieren, gelingt es ihr, wird das Gentool erneut die Stelle schneiden. Das macht es so lange, bis sich ein Fehler eingeschlichen hat, denn es bindet immer an einer spezifischen Stelle. Bei einem Fehler ist diese Stelle nicht mehr vorhanden.
Dieser Fehler ist gleichzusetzen mit einer natürlichen Mutation, denn es können dabei Basen wegfallen oder hinzukommen. In diesem Fall wird das Gen inaktiviert.
Man ist also in der Lage eine Punkt-Mutation an einer vorgegeben Stelle zu erzeugen. Somit ist dieses Verfahren sehr viel effizienter und und präziser als die Mutationszüchtung.
Das benötigte Tool ist dafür entweder eine kurze Zeit in der Pflanze aktiv und wird danach abgebaut oder aber es wird kurzzeitig in das Pflanzengenom integriert. Falls es eingebaut werden muss, kann es anschließend in wenigen Generationen wieder herausgezüchtet werden um Organismen zu erhalten, die keine fremden Gene besitzen.
Eine andere wichtige Eigenschaft ist die sogenannten homologen Rekombination, bei der die Zelle auf ein DNA Template zurückgreift und dann mutieren kann. Es wird in der Natur auf die Information von einem anderen Chromosom zurückgegriffen, sodass der Fehler von der Zelle repariert werden kann, ohne zu mutieren.
Man kann aber auch ein bestimmtes Template mit in die Zelle einschleusen und damit bestimmen, wie die Zelle diesen Bruch reparieren soll. So kann zielgerichtet DNA mit ins Erbgut eingeschleust werden oder eine zielgerichtete Mutation verursacht werden.
Diese Präzision findet auch bei allen anderen gentechnischen Verfahren Anwendung und macht sie damit noch effizienter.
Zielgerichtet meint hier, dass der Ort und die Anzahl der Mutationen und zusätzlichen Informationen steuerbar sind, nicht wie bei der klassischen Gentechnik.
Dennoch sind theoretisch Schnitte an nicht gewünschten Stellen möglich, was als off-target bezeichnet wird. Kommt es zu so einem Fehler, hat sich eine weitere, unerwünschte Mutation gebildet. Es wird jedoch in der Regel auf solche off-targets getestet.
In bewährten Kultursorte können direkt einzelne DNA-Bausteine umgeschrieben werden, ohne das vorhandene Erbgut und damit alle übrigen Eigenschaften der Pflanzen zu verändern.
Im Juli 2018 hat der EuGH entschieden, dass mit Genome Editing-Verfahren erzeugte Pflanzen in der EU unter die geltenden Gentechnik-Gesetze fallen. Die Verwendung, aber auch ihre Freisetzung in die Umwelt müssen damit genehmigt werden. Lebens- und Futtermittel sind kennzeichnungspflichtig, weshalb auch diese Technik keine große Marktchancen in Europa hat. So entstandene Lebensmittel werden in der Regel nicht bei uns abgebaut. Dabei importiert die EU Tonnen an gentechnisch veränderten Futtermittel und andere Lebensmittel, mit gentechnisch veränderten Inhaltsstoffen, aus dem Ausland.
Fast alle großen Agrarländer außerhalb der EU, darunter USA, Kanada, Brasilien oder Argentinien, haben einen anderen Weg eingeschlagen.
Werden mit Genome Editing-Verfahren vorhandene DNA-Bausteine entfernt oder nur einzelne umgeschrieben, werden sie herkömmlichen Pflanzen gleichgestellt.
Werden jedoch Gene oder Gen-Sequenzen an der Bruchstelle neu eingefügt, fallen die so geänderten Pflanzen unter die GVO-Bestimmungen. GVO steht für gentechnisch veränderte Organismen.
Solche Organismen unterliegen bestimmten Regeln und diese unterscheiden sich von Land zu Land. Damit wird reguliert, welche Produkte von GVO’s benutzt oder verzehrt werden dürfen.
