Überblick

Wissenschaftler stellen rekombinante DNA durch das Verbinden von DNA-Stücken von verschiedenen Quellen, meist verschiedenen Arten, im Labor her. Die DNA Klonierung ermöglicht den Forschern bestimmte Gene zu untersuchen, durch die Insertion in leicht manipulierbare Zellen, wie Bakterien. Organismen, die rekombinante DNA enthalten, sind als genetische veränderte Organismen (GVO) bekannt. Die rekombinante DNA-Technologie führt zu Organismen mit neuen Genen, die in der Wissenschaft, der Medizin, und der Landwirtschaft nützlich sein können.

Wie stellen Wissenschaftler rekombinante DNA her?

Bei der Herstellung von rekombinanter DNA wird das gewünschte Gen in einen Vektor eingefügt. Der Vektor ist ein Vehikel, der den Transport von fremder DNA in die Wirtszellen zur DNA-Replikation und Proteinexpression ermöglicht. Am meisten werden Plasmide als Klonierungsvektoren verwendet. Das sind kleine zirkulare DNA-Stücke, die sich unabhängig von der chromosomalen Wirts-DNA replizieren.

Um rekombinante DNA herzustellen, müssen die DNA, die das gewünschte Gen enthält und der Vektor mit Restriktionsenzyme an einer bestimmten Nukleotid-Sequenz, der Restriktionsschnittstelle, geschnitten werden. Ein Enzyme, die DNA-Ligase, ligiert dann das Zucker-Phosphate-Grundgerüst, wo sich des gewünschte Gen und das Plasmid verbinden.

Das Ergebnis ist dann ein rekombinantes DNA-Molekül, das aus einem Vektor mit einem integrierten neuen DNA-Stück, einem Insert, besteht. Ein Wissenschaftler kann dann diesen DNA-Hybrid in einen neuen Wirtsorganismus einführen, normalerweise Bakterien, wo es einfach und schnell vervielfältigt wird. Dadurch entstehen viele Kopien des gewünschten Gens, was notwendig für die wissenschaftliche Forschung und andere Anwendungen ist. Das Gen kann dann auch in der Wirtszelle transkribiert und übersetzt werden wobei das gewünschte Protein produzieret wird, wie zum Beispiel Insulin.

Die Herstellung von rekombinanter DNA ist kein perfekter Prozess, da viele Fehler passieren. Zum Beispiel, der Vektor kann sich auch ohne das Insert schließen oder das Insert wurde verkehrt verbunden (umgekehrt). Daher müssen die Wissenschaftler bevor sie die DNA nutzen, sie auf Richtigkeit überprüfen. Die Sequenzierung der Nukleotide kann dabei helfen die Bakterienkolonien zu identifizieren, die das Plasmid mit dem richtigen Insert haben.

Wissenschaftler nutzen rekombinante DNA um Gene und Proteine zu untersuchen

Die rekombinante DNA-Technologe ist besonders nützlich wenn ein Forscher viele Kopien eines gewünschten Gens oder Proteins benötigt. Es ist jedoch möglich, dass die Forschung des Wissenschaftlers komplexer ist, und die Reinigung oder die Detektion des Proteins benötigt. Um dies zu ermöglichen kann der Forscher einen Protein-tag oder Reporter an das gewünschte Protein fügen. Das sind Proteine die genutzt werden, um das Genprodukt zu lokalisieren. Dabei entsteht ein Fusionsgen oder ein chimärisches Gen.

Die Anwendung in der Medizin und Landwirtschaft

Wissenschaftler haben die rekombinante DNA-Technologie als erstes für die Produktion von menschlichem Insulin aus Bakterien genutzt, wodurch eine Therapie für Diabetes entstand. Seit dieser ersten Entdeckung haben Wissenschaftler verschiedene andere rekombinante DNAs für therapeutische Zwecke entwickelt. Rekombinante Bakterien produzieren das menschliche Wachstumshormon, Somatropin, welches ein Protein ist, dass für das normale Wachstum und Entwicklung benötigt wird. Es wird genutzt, um Patienten mit einem Mangel des Wachstumshormons zu behandeln. Rekombinante Säugetierzellen, die von Menschen und Hamstern stammen, produzieren den Faktor VIII. Dies ist ein Protein, das für die normale Blutgerinnung zur Behandlung von Patienten mit Hämophilie benötigt wird. Offensichtlich ist die rekombinante DNA-Technologie ein leistungsstarkes Werkzeug für die Produktion essenzieller Proteine in großem Maßstab.

Landwirtschaftliche Fortschritte in der rekombinanten DNA-Technologie wirken sich auch auf das menschliche Wohlergehen aus. So erlitten Maisbauern früher beispielsweise erhebliche Ernteschäden durch den Maiszünsler, einen Schädling. Als Reaktion darauf isolierten Wissenschaftler Gene aus einem bodenbewohnenden Bakterium, demBacillus thuringiensis (Bt), um genetisch veränderten, schädlingsresistenten Mais zu erzeugen. Bacillus thuringiensis produziert auf natürliche Weise Proteine, die für bestimmte Insekten, aber nicht für Menschen, Pflanzen oder andere Tiere giftig sind. Die Einführung von schädlingsresistentem Bt-Mais verbesserte die Ernteerträge und verringerte den Einsatz von chemischen Pestiziden. Solche landwirtschaftlichen Anwendungen der DNA-Technologie können die Qualität und Quantität der globalen Nahrungsmittelversorgung verbessern.