Die Gentechnik-Revolution CRISPR/Cas9

19. Mai 2018

Die einzelnen Genome Editing Methoden und deren Funktionsweise sind bereits auf anderen Seiten ausreichend beschrieben und illustriert (transgen.de). Im Folgenden soll es weniger um die Funktionsweise gehen als vielmehr um eine Einschätzung der breiten Nutzung der Genome Editing Technik CRISPR/Cas9.

Anwendungsbereiche von CRISPR/Cas9

Gezielte Veränderungen der DNA in jedem Organismus, vom Bakterium bis zum Menschen, sind ein Traum für die biologische Forschung. Somit ist es nicht verwunderlich, dass zum einen bereits seit Jahren nach einfachen Methoden zum Genome Editing gesucht wird, zum anderen jede neue Methode einen Hype auslöst, sei es Zinkfinger, TALEN oder eben CRISPR/Cas9. Der Vorteil von CRISPR/Cas9 ist die Einfachheit der verwendeten Komponenten (eine RNA-Sonde und ein Protein, das die DNA schneidet), die geringen Nutzungskosten, sowie die Präzision, mit der die DNA geschnitten wird. Doch wozu soll CRISPR/Cas9 genutzt werden?

Im Moment stehen vor allem zwei Anwendungsbereiche im Fokus: die Veränderung menschlicher DNA im medizinischen Bereich und die Veränderung der DNA von Nutzpflanzen in der Agrarindustrie.

Dass CRISPR/Cas9 auch auf menschliche Zellen anwendbar ist, war eine der entscheidenden Entdeckungen, die zur Bekanntheit der Technik geführt haben. In der biologischen Grundlagenforschung wird CRISPR/Cas9 mittlerweile als Standardmethode aufgeführt, um Gene in Zellen oder Organismen auszuschalten und die Folgen des Gen-Knockouts zu erforschen. Ebenso findet die Technik bei der Herstellung von Knockout-Mäusen breite Verwendung. Somit wird CRISPR/Cas9 hauptsächlich für eines genutzt: das Ausschalten von Genen, um deren Funktionen bzw. die Funktionen des daraus gebildeten Proteins besser erforschen zu können. Doch das ist nicht alles. Da sich CRISPR/Cas9 auch hervorragend dazu eignet DNA-Sequenzen in das Genom einzusetzen, werden immer mehr Zellen oder Organismen erzeugt, bei denen ein Gen nicht funktionsuntüchtig gemacht wird, sondern einzelne Basenpaare geändert werden, um bestimmte Abschnitte des gebildeten Proteins zu ändern und diese erforschen zu können. Durch die Möglichkeit DNA-Sequenzen gezielt in das Genom einsetzen zu können, rückt CRISPR/Cas9 immer mehr in den Fokus der Medizin. Gendefekte schon im Embryo zu verhindern, indem das mutierte Gen dank CRISPR/Cas9 zum „gesunden“ Gen verändert wird, ist hierbei vor allem in der Diskussion. Forscher haben genau das unlängst durchgeführt und konnten die theoretischen Überlegungen in der Praxis umsetzen (spiegel.de).

Die gezielte Manipulation des Genoms bereits im frühen Embryo oder gar in der befruchteten Eizelle führt dazu, dass die DNA in allen daraus entstehenden Zellen, also dem ganzen Körper, verändert ist. CRISPR/Cas9 ließe sich also nicht nur dazu verwenden vererbte Gendefekte zu beheben, sondern auch wünschenswerte Eigenschaften in sein Kind zu programmieren: die Herstellung so genannter Designer-Babys. Sofern die Gene für das zu verändernde Merkmal bekannt sind, wäre der Weg frei für gezielte Veränderungen auf Wunsch der Eltern. Augen-, Haar- und Hautfarbe, Körpergröße und so weiter. Sofern es sich um durch Gene vererbbare und bestimmbare Eigenschaften handelt, wären Manipulationen möglich.

Der andere Bereich, in dem der Einsatz von CRISPR/Cas9 momentan stark diskutiert wird, ist die Landwirtschaft. Um die stetig wachsende Anzahl an Menschen auch in Zukunft mit Nahrung versorgen zu können, sehen einige Forscher in der Gentechnik die einzige Lösung. Bisherige gentechnische Verfahren zielten insbesondere darauf ab, pestizidresistente Pflanzen herzustellen oder Pflanzen zu schaffen, die ihr eigenes Insektizid produzieren. Auf diese Weise sollte der Gebrauch an Pestiziden in der Landwirtschaft verringert und Epidemien von Krankheitserregern an wichtigen Getreidepflanzen bekämpft werden. Die Folgen dieser Art von Gentechnik sollen an anderer Stelle diskutiert werden. Fakt ist jedoch, dass bei den verwendeten gentechnischen Verfahren Artgrenzen überschritten worden sind, sodass beispielsweise Bakteriengene in Kulturpflanzen eingeschleust wurden. Wo die artfremden Gene sich in das Genom der Pflanze integrieren, ist vom Zufall abhängig. Die gentechnisch veränderten Pflanzen müssen oft in regionale Kultursorten eingekreuzt werden. Regionale Kulturpflanzen wurden über Jahre hinweg an die klimatischen Bedingungen und die Bodeneigenschaften angepasst. Die im Labor erzeugten Pflanzen müssen erst die Eigenschaften der regionalen Sorten erhalten, um vergleichbar gut wachsen zu können und ausreichend Ertrag zu erzeugen; bei der Kreuzung der beiden Pflanzen können jedoch gewünschte Eigenschaften ungewollt verloren gehen. CRISPR/Cas9 könnte an dieser Stelle enorme Vorteile mit sich bringen. Würde CRISPR/Cas9 dazu genutzt werden, wie bisher artfremde Gene in Pflanzen einzuschleusen, besteht der Vorteil darin, dass das artfremde Gen an eine ganz spezifische Stelle im Genom eingebaut werden kann und dies nicht mehr vom Zufall abhängt. Doch die Technik kann auch dazu genutzt werden, die Gene der Pflanze selbst zu verändern. Auf das Einschleusen artfremder Gene wird somit verzichtet und die Pflanze wäre bei Veränderungen von nur wenigen Basenpaaren nicht von durch natürliche Mutation entstandenen Pflanzen zu unterscheiden. Genau das ist es, was viele Saatgutfirmen anstreben. Der Vorteil: da die erschaffene Pflanze nicht von natürlichen Pflanzen unterscheidbar ist, zählt sie nicht als gentechnisch verändert und wird nicht reguliert (zumindest in den USA; eine Beurteilung der Europäischen Union steht noch aus). Des Weiteren ist die Anwendung von CRISPR/Cas9 so einfach und schnell, dass das Genome Editing Verfahren bereits in der regionalen Kulturpflanze angewendet werden kann und keine aufwändige Kreuzung mehr erforderlich wäre.

Die CRISPR/Cas9 Technik wird in Zukunft sicherlich breite Anwendung finden, ob in Medizin oder Landwirtschaft. Dabei ist es wichtig, dass schon jetzt die entstehenden Bedenken vor allem ethischer Art in die breite Öffentlichkeit getragen werden und Raum für Diskussionen entsteht. Auch wenn gentechnisch veränderte Pflanzen nach dem Einsatz von CRISPR/Cas9 von natürlich vorkommenden Pflanzen nicht zu unterscheiden sind, so beruht die Erschaffung dieser Pflanzen doch auf einem gentechnischen Verfahren. Das bedeutet auch, dass die erschaffenen Pflanzen wie die momentan angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen von Firmen patentiert werden können und insbesondere Kleinbauern in starke Anhängigkeiten bringen. Die Anwendung von CRISPR/Cas9 zur Erschaffung von Designer-Babys gilt es ebenso zu regulieren wie beispielsweise Überlegungen ganze Moskitopopulationen gentechnisch zu verändern.

Limitierungen der neuen Gentechnik

Bei all dem Hype um CRISPR/Cas9 darf nicht vergessen werden, dass es sich wie bei allen Genome Editing Verfahren nur um eine Methode handelt. Das bedeutet, CRISPR/Cas9 ist lediglich ein Werkzeug und abhängig von bereits bekanntem Wissen. Um DNA an bestimmter Stelle zu schneiden oder zu verändern, muss die DNA-Sequenz bereits vorher bekannt sein. Das Sequenzieren ganzer Genome ist heutzutage kein großes Hindernis mehr. Wichtiger ist hierbei jedoch, dass auch die herbeigeführte Genomveränderung bislang nur auf natürlichen Vorlagen beruht. Das bedeutet, dass ein defektes Gen im Embryo nur dann zu einem „gesunden“ Gen verändert werden kann, wenn die Sequenz des gesunden Gens bekannt ist. Ebenso können in Pflanzen Gene nur zum Vorteil verändert werden, wenn die Mutation bzw. die Genvariante, die den Vorteil bringt, bereits bei einer artverwandten Pflanze bekannt ist. Das Verändern kleiner Genabschnitte mit der Absicht die Eigenschaften zu verbessern, benötigt daher immer eine bereits bekannte Vorlage. Das herbeiführen neuer, unbekannter Eigenschaften kann nur durch Zufall geschehen und würde die willkürliche Veränderung von Genabschnitten bedeuten, ohne deren Ergebnis vorhersagen zu können.