Restriktionsenzyme: Schlüsselinstrumente in der Gentechnik

Was ist Gentechnik?

Gentechnik ist jede menschlich gelenkte Modifikation des genetischen Aufbaus von Organismen, um die Eigenschaften dieser Organismen zu verändern. Die älteste Technik der Gentechnik ist die selektive Züchtung von Nutztieren. In den letzten Jahrzehnten haben Biologen gelernt, wie man Gene direkt von der DNA (Desoxyribonukleinsäure) eines Organismus auf die DNA anderer überträgt. Das Werkzeug, das dafür verwendet wird, ist die Natur selbst: Restriktionsenzyme.

Funktion, Potenzial und Struktur

Funktion

Restriktionsenzyme sind Enzyme (Protein-Katalysatoren), die von Bakterien verwendet werden, um eindringende Viren zu zerstören. (Restriktionsenzyme greifen das Bakterium selbst nicht an, weil dessen DNA chemisch modifiziert wurde, sodass sie immunisiert ist.) Auch Restriktionsendonukleasen genannt, schneiden Restriktionsenzyme DNA an hochspezifischen Stellen: an Abschnitten der DNA, die aus kurzen Zeichenketten der Basiseinheiten (Basen oder Nukleotide) der DNA bestehen. Diese stereotypen Sequenzen werden als „Erkennungssequenzen“ bezeichnet.

Potenzial

Da dieselben Erkennungssequenzen in der DNA verschiedener Organismen existieren, können Biologen Restriktionsenzyme verwenden, um ein Stück DNA aus dem Genom eines Organismus auszuschneiden und es in das Genom eines anderen einzufügen. (Ein Genom ist jeder vollständige Satz der DNA, die im Zellkern eines Zells gespeichert ist.)

Struktur

DNA besteht aus einer Doppelstrang, der berühmten „Doppelhelix“. Nur vier verschiedene Arten von Basen oder Nukleotiden bilden DNA: Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin (A, G, T und C). Eine A-Base bindet immer mit einer T-Base, um eine Sprosse der Helix zu bilden, und C bindet immer mit G. Diese komplementäre Basenpaarung ermöglicht es, DNA während der Zellteilung zu kopieren und kopierte genetische Informationen in Form von Ribonukleinsäure (RNA) aus dem Zellkern zu exportieren, um Proteine herzustellen.

Ergebnisse und Vorteile

Ergebnisse

Wenn eine Doppelstrang-DNA durch ein Restriktionsenzym geschnitten wird, ragen an der Schnittstelle typischerweise ein oder mehr Basen von einer der beiden Stränge heraus. Dies ist ein „klebriges Ende“ des meist doppelsträngigen DNA-Segments, das herausgeschnitten wurde. Da die DNA des Empfängerorganismus an derselben Nukleotidsequenz durchtrennt wurde, können die klebrigen Enden der freigelegten DNA des Empfängers mit den klebrigen Enden des Spendergens übereinstimmen. Dies ist weitgehend möglich aufgrund der komplementären Basenpaarung. Biologen verwenden ein Enzym namens DNA-Ligase, eines der Enzyme, die am Kopieren von DNA beteiligt sind, um das gespendete Gen in die Empfänger-DNA einzunähen.

Vorteile

Die durch Restriktionsenzyme ermöglichte Gentechnik bringt eine Vielzahl von medizinischen und anderen Vorteilen mit sich. Ein medizinischer Vorteil ist die schnellere und reichlichere Produktion von Insulin, das zur Behandlung von Diabetes verwendet wird. Die Genome von schnell vermehrenden Bakterien werden modifiziert, sodass sie das menschliche Gen für die Insulinproduktion aufnehmen. Früher musste Insulin von Schweinen und Kühen gewonnen werden, eine Form der Insulinproduktion, die langsam und kostspielig war und weniger effektiv, da tiergewonnenes Insulin nicht bei jedem menschlichen Patienten richtig funktioniert.