Biotechnologie

Der Natur auf die Finger geschaut

Der aktuelle Fall der Schweinegrippe macht uns bewusst, dass Bakterien und Viren ihr Genmaterial austauschen können. Dadurch entstehen Viren, die aus Genen von Schweinen, Menschen und / oder Vögeln bestehen und damit auch auf Menschen übertragbar werden. Dies scheint in Mexiko passiert zu sein.

Das Wissen, das genetisches Material nicht nur zwischen Viren sondern auch zwischen Bakterien und Hefen ausgetauscht werden kann, wird heute in der Biotechnologie genutzt. Damit können körpereigene Moleküle als Medikamente bei Krankheiten verwendet werden, die durch Abwesenheit oder die eingeschränkte Funktion von Proteinen hervorgerufen werden.

Als erstes Produkt der modernen Biotechnologie gilt Insulin, das in den frühen 20er Jahren des letzten Jahrhunderts aus der Bauchspeicheldrüse von Kühen und Schweinen isoliert wurde. Weil das Schweineinsulin nicht mit dem körpereigenen Insulin identisch ist, beschäftigte man sich jedoch zunehmend mit den möglichen Auswirkungen einer langfristigen Anwendung von körperfremden Insulin auf den menschlichen Körper. Zudem sorgte man sich mit der Zunahme der Diabetesfälle auch um die Langzeitversorgung mit diesem Arzneimittel tierischen Ursprungs. Aus diesem Grund wurde Insulin zu einem idealen Untersuchungsobjekt für Biochemiker und Molekularbiologen, die sich mit dem Einsatz der Biotechnologie beschäftigten. Dank der Biotechnologie kann heute Insulin durch ein transgenes Bakterium in ausreichender Menge hergestellt und als pharmakologischer Wirkstoff verwendet werden.

Da die Liste der therapeutisch verwendbaren Proteine tierischen Ursprungs sehr kurz war, wurde die Biotechnologie zudem für die Herstellung von entsprechenden Wirkstoffen zum Meilenstein. So können Interferon oder Impfstoffe sowie Wachstumshormone und die Blutgerinnungsfaktoren aufgrund ihrer Komplexität chemisch nicht durch Synthese heute jedoch durch Biotechnologie hergestellt werden.

Die DNA-Doppelhelix als Universalsprache der Biotechnologie
Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur heutigen Biotechnologie war die Aufklärung der DNA-Doppelhelix. Diese ähnelt einem verdrillten Reißverschluss mit vier unterschiedlichen Zähnen (Basen). Für die genetische Information ist allein die Reihenfolge dieser Basen von Bedeutung. Sie liefert die Bauanleitung für den Einbau der Aminosäuren in Proteine. Mit den Jahren drangen die Forscher immer tiefer in die Zell- und Molekularbiologie sowie die Zusammenhänge zwischen Genen und den von ihnen codierten Proteinen vor.

So weiß man heute, dass sich menschliche, tierische und pflanzliche Zellen als kleinste Einheit des Organismus sehr viel ähnlicher sind als der komplette Organismus. Nicht nur die chemische Struktur der Erbsubstanz ist in allen Organismen gleich, sondern auch der genetische Code. Es wird also nicht nur das gleiche Alphabet verwendet, sondern überall die gleiche Sprache geschrieben.

Nur weil der genetische Code universell ist, ist Gentechnologie überhaupt möglich. So kann beispielsweise das Stück Erbinformation, das die Bauanleitung für ein menschliches Wachstumshormon enthält, eingebracht in ein Bakterium, dieses veranlassen, menschliches Wachstumshormon zu produzieren.

Kuckuckseier auf dem Weg zu neuen Arzneimitteln
Gentechnologie ermöglicht damit die gezielte Veränderung des Erbgutes von Organismen durch die Addition synthetischer oder artfremder Gene. Gentechnologie ist nichts anderes als das Einschmuggeln eines nach eigenem Wunsch gestaltetem Befehl in eine Wirtszelle. Das ist jedoch keine Erfindung des Menschen, dieser Vorgang ist unter Bakterien und Viren seit Jahrmillionen gang und gäbe, wie der aktuelle Fall der Schweinegrippe zeigt. Die Mikroorganismen verschmelzen miteinander und ein kleiner DNA-Ring (Plasmid) wechselt von einer zur anderen Zelle.

Am Schnittpult für neue Arzneimittel
Diesen Austausch von Plasmiden ahmt die Gentechnik nach. Ähnlich wie beim Schneiden eines Films gibt der Gentechniker nach dem Aufschneiden des Plasmidrings, der aus einer Bakterie gewonnen wurde, dasjenige Gen hinzu, das er in die Wirtzelle einschleusen möchte und verklebt den Ring wieder. Die Plasmide werden nun zu einer Lösung gegeben, in der sich die Wirtzellen zusammen mit einem chemischen Reagens befinden, das die Zellmembran der Wirtszelle für eine gewisse Zeit durchlässig macht. Anschließend vermehren sich die genetisch veränderten Zellen mit samt dem gewünschten Gen. Diesen Prozess nennt man Genklonierung. Wenn alles planmäßig läuft, produzieren die Zellen mit dem eingeschmuggelten Gen jetzt das gewünschte Eiweißmolekül.

Rekombinationstechnisch hergestellte Arzneimittel
Nach der Monographie im Deutschen Arzneibuch sind DNA rekombinationstechnisch hergestellte Produkte „durch genetische Modifikation hergestellte Produkte, bei der die kodierende DNA für das benötigte Produkt gewöhnlich mit Hilfe eines Plasmids (…) in einen geeigneten Mikroorganismus (…) eingeführt wird, in denen diese DNA exprimiert, d.h. in mRNA übersetzt und in Protein translatiert d.h. Proteine auf Basis der mRNA synthetisiert werden.“

In Deutschland sind derzeit mehr als 30 auf diese Weise hergestellte Arzneimittel zugelassen, von denen nur einige wenige ihren natürlichen Vorbildern entsprechen. Hintergrund dafür ist, dass in dem einen oder anderen Fall authentische Produkte technisch nicht möglich sind. Dazu muss man sich vor Augen führen, dass durch Expression und Translation streng genommen nur Proteine hergestellt werden können. Die Information für die Herstellung von Glykoproteinen, das heißt Proteinen mit Zuckerseitenketten ist jedoch nicht in der Gensequenz gespeichert. Daneben können Mikroorganismen, wie die häufig eingesetzte Escherichia coli, Proteine nicht glykosilieren. Wenn die Arzneistoffe durch die Modifikation ein besseres pharmakodynamisches und pharmakokinetisches Profil haben oder dadurch die Wirksamkeit erhalten wird, ist ein authentisches Produkt auch gar nicht gewollt. So wurde bei Betaferon, ein Protein, das bei Multipler Sklerose zum Einsatz kommt, eine Aminosäure ausgetauscht um zu verhindern, dass sich in der Zelle falsche Disulfidbrücken bilden. Dies hätte eine Inaktivierung des Wirkstoffes zur Folge.

Bei Wirkstoffen, die über einen langen Zeitraum eingesetzt werden, beispielsweise bei der Ersatztherapie in der Indikation Diabetes mellitus, wird ein hohes Maß an Übereinstimmung gefordert. Ist jedoch erst einmal die genetische Information für ein therapierelevantes Eiweiß isoliert, so lassen sich auch relativ einfach Ableger herstellen. Durch gezielte Mutation wird versucht, Varianten mit verbesserter Aktivität zu erhalten. Diese als Muteine bezeichneten Medikamente gibt es beispielsweise für eine Insulinvariante, die schnell wirksam ist oder als Plasminogenaktivator. Hier wird dann weniger Wirkstoff benötigt um therapeutische Konzentrationen zu erreichen.

2008 machten Biopharmazeutika, wie man so produzierte Arzneimittel nennt, 15% des pharmazeutischen Marktes aus, wobei Impfstoffe und Krebspräparate die Schwerpunkte der Entwicklung bilden. Nach Angaben der Deutschen Industrievereinigung Biotechnologie steigt die Zahl der Arbeitsplätze in der Branche.

Nicht nur für Naturwissenschaftler interessant
In der Biotechnologie sind, wie in der herkömmlichen Pharmaindustrie, alle naturwissenschaftlichen Fächer gefragt. Sinnvolle Vertiefungsstudiengänge bieten sich im In- und Ausland an zahlreichen Hochschulen. Der Studienführer Biologie (Biologie - Biochemie - Biotechnologie – Biomedizin ISBN 3-8274-1529-2) präsentiert die biowissenschaftlichen Studiengänge (v.a. Biologie - Biochemie - Biotechnologie - Biomedizin) an allen deutschen Universitäten, Fachhochschulen und Pädagogischen Hochschulen und beschreibt detailliert die Studienbedingungen am jeweiligen Hochschulort.

Doch die Biotechnologie ist ein interdisziplinäres Fachgebiet an der Schnittstelle von Natur- und Ingenieurwissenschaften. So deckt die Biotechnologie nicht nur einen breiten inhaltlichen Horizont von der Molekular-, Mikro- und Zellbiologie sowie der Biochemie ab sondern auch moderne Mess- und Analysemethoden bis hin zu Fragestellungen der Verfahrenstechnik, der Regelungstechnik, der Informationstechnologie und des Apparatebaus ab.

Heftnummer: 2009/03
Autor: Angelika Severin