Zusammenfassung
Ein radikale Beschleunigung der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, sowie innovative Anwendungen in Biologie, Biotechnologie, Landwirtschaft und Medizin, folgte aus der Entwicklung der Gentechnik. Neue Viren und Gene, die hoch wirksame Eiweiß-Molekülen kodieren (die z. B., Zell-Differenzierung steuern), wurden entdeckt. Dieser Prozess war oft sehr vereinfacht dargestellt worden, so als ob man einfach darauf gestoßen wäre. Wir berichten wie es wirklich war; abhängig von der sehr sorgfältigen Herstellung von Enzymen in der Biochemie; der Forschung in der Virologie, der Mikrobiologie; von Untersuchungen zur Verbreitung von Antibiotikaresistenz; wesentlich war die innovative Entwicklung neuartiger Methoden des DNA-Sequenzierens, bis hin zu neuen Computern und Algorithmen, die notwendig waren um die gigantischen anfallenden Datenmengen zu bearbeiten. Dies erforderte ein vertiefte interdisziplinäre Zusammenarbeit quer durch alle Bereiche der Lebenswissenschaften, bis hin zu Physik, Kristallographie und Mathematik, die vorher in keinem Fach so konsequent bewältigt wurde.
Teile dieses Kapitels sind zuvor in Englisch publiziert worden: In Abschn. 1.5, in Arnold L. Demain, Erick J. Vandamme, John Collins und Klaus Buchholz, 2017, History of Industruial Biotechnology. In: Industrial Biotechnology, Vol. 3a, S. 3–84, Christoph Wittmann, James Liao (Edts.), Copyright Wiley–VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. Reproduced with permission.
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Notes
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PCR (Polymerase Chain Reaction). Die Methode wurde bezeichnet als „the revolutionary molecular method of the twentieth century“, die winzige Mengen DNA in kurzer Zeit milliardenfach vervielfältigen kann, möglich durch die Entdeckung einer hitzestabilen DNA-Polymerase (Taq 1) und ihre Klonierung (Lawyer et al., 1989). Sie ermöglichte auch die Affinitätsselektion in vitro von Genen und die Isolierung von neuen Liganden mit spezifischen Affinitäten oder Funktionen (s. a. Kap. 7).
- 2.
Die „codon-degeneracy“ (verschiedene Codons codieren für eine Aminosäure) hat zur Folge, dass etwa 30 % von Punktmutationen toleriert werden.
- 3.
Das Humangenomprojekt basierte auf gemischter DNA vieler Individuen. Dies machte es erheblich komplizierter wegen der Kopienzahlvariation. Es beeinflusst auch die Methode, mit der Genetiker Patienten auswählen und untersuchen. Hierzu können z. B. Chiparrays benutzt werden (siehe Fußnote 18).
- 4.
Die Vision des EMP ist es, die mikrobielle Vielfalt und das funktionelle Potenzial von ca 200.000 Proben aus der Umwelt zu analysieren und zu erfassen, es zeichnet sich als ein so ambitioniertes Vorhaben aus, dass es ursprünglich als verrückt angesehen wurde.
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PCR (Polymerase Chain Reaction). Die Methode wurde bezeichnet als „the revolutionary molecular method of the twentieth century“, die winzige Mengen DNA in kurzer Zeit milliardenfach vervielfältigen kann, möglich durch die Entdeckung einer hitzestabilen DNA-Polymerase (Taq 1) und ihre Klonierung (Lawyer et al., 1989). Sie ermöglichte auch die Affinitätsselektion in vitro von Genen und die Isolierung von neuen Liganden mit spezifischen Affinitäten oder Funktionen (s. a. Kap. 7).
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Niels Bohr hatte das Interesse von Max Delbrück an der Anwendung von Mathematik und Physik in der Biologie geweckt. Später gründete Max Delbrück ein Institut für molekulare Genetik an der Universität Köln mit dem Ziel, die Möglichkeiten interdisziplinärer Forschung im Departmentsystem zu demonstrieren. Das Institut für Genetik wurde 1962 mit einem Vortrag von Niels Bohr über „Light and Life – revisited“ eröffnet, der an seinen ursprünglichen im Jahr 1933 anknüpfte, und durch den das Interesse von Max Delbrück an der Biologie geweckt worden war.
- 7.
Die „codon-degeneracy“ (verschiedene Codons codieren für eine Aminosäure) hat zur Folge, dass etwa 30 % von Punktmutationen toleriert werden.
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PCR (Polymerase Chain Reaction). Die Methode wurde bezeichnet als „the revolutionary molecular method of the twentieth century“, die winzige Mengen DNA in kurzer Zeit milliardenfach vervielfältigen kann, möglich durch die Entdeckung einer hitzestabilen DNA-Polymerase (Taq 1) und ihre Klonierung (Lawyer et al., 1989). Sie ermöglichte auch die Affinitäts-Selektion in vitro von Genen und die Isolierung von neuen Liganden mit spezifischen Affinitäten oder Funktionen (s. a. Kap. 7).
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Bei Mutanten bez. des Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferasegens (HGPRT, ein abbauendes Enzym) unterbindet die Mutation die Xanthin- und Uracilsäuresynthese.
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Hierzu ist zu anzumerken, dass die Annahme, Somatostatin sei das erste Peptidgen gewesen, das in E. coli kloniert und exprimiert wurde, technisch nicht korrekt ist. Ein großes, chimäres Protein war schon zuvor exprimiert, aus dem Bakterium isoliert und chemisch gespalten worden, wobei das Peptidfragment erhalten wurde (Itakura et al. 1977a, b).
- 11.
Hierzu ist anzumerken, dass zu der Zeit die Frage, ob eine Methode funktionierte oder nicht, wesentlich von der Reinheit der Enzyme abhing, von denen keines kommerziell erhältlich war. Die Publikation zeigt weder die Machbarkeit des Ansatzes, DNA in einen fremden Organismus zu transferieren, noch ist diese Idee originell.
- 12.
Eine detaillierte Analyse des „State of the Art“ könnte jedoch zu einer anderen Schlussfolgerung führen, dass nämlich ursprünglich das höchste, was von der Klonierung eukariontischer DNA zu erwarten war, die verbesserte Deletionsanalyse (spezifische induzierte Deletion) von Viren und Plasmiden sei, ohne dass Genexpression über Speziesgrenzen hinweg erfolgte.
- 13.
Vielleicht blieben solche Gedanken lebendig bei Geistern, die nicht reproduzierbare Arbeiten 1964 publizierten, z. B. durch Thomas Trautner, über die Replikation und Reproduktion von Polyoma-Virus transformiert in Bacillus subtilis (s. Review in Jones & Sneath, 1970).
- 14.
RFLP, Restriktionsfragment-Längenpolymorphismen, Variation in der Länge von DNA-Fragmenten nach Schneiden mit Restriktionsendonucleasen, die infolge Mutation von Restriktionsstellen auftreten, Methode, um die Kopplung zwischen einem Gen für eine Erbkrankheit und einem oder mehreren RFLP-Markern zu ermitteln, somit Identifikation eines Gens für eine Erbkrankheit.
- 15.
Dieses in vitro Rekombinationssystem kann auch genutzt werden, um Bibliotheken kombinatorischer Fragmente effizient zu erzeugen, die auch in vitro selektiert werden können, in Kombination mit In-vitro-Genexpressionssystemen (Hannes und Plückthun, 1997).
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Jede Generation von Klonierungssystemen hob ihre jeweilige verbesserte Stabilität hervor. Das konnte durch die Verbesserungen der Gastzellen bedingt sein, die zur Stabilisierung der insertierten DNA führte, sowie verbesserte Methoden, die zur Verringerung von Palindromen der Vektoren führten, wenn die chimäre DNA hergestellt wurde. Ein Grund war auch die Reinheit der Enzyme, die bei der DNA-Manipulation benutzt wurden (vgl. Tab. 6.2).
- 17.
Kritiker des effektiven und kostengünstigen Sequenzierprogramms von Celera wenden ein, dass es mit öffentlichen Mitteln geförderte Daten nutzte – es stellt sich jedoch die Frage: Wer profitierte von wem?
- 18.
Biochips sind Mikroarrays, auf die verschiedene Proteine, z. B. (monoklonale) Antikörper oder DNA-Fragmente bzw. Oligonucleotide in großer Zahl auf einem Objektträger punktförmig (in Spots) gebunden sind. Jedes Element dient als Sonde für ein bestimmtes komplementäres Protein oder DNA-Fragment. Die dichte Anordnung auf einer kleinen Fläche (entsprechend z. B einer Briefmarke) erlaubt die simultane Durchführung großer Zahlen von Hybridisierungsreaktionen, d. h. Analysen, z. B. von Hunderten oder Tausenden von Genen, in kurzer Zeit. Die Detektion kann z. B. mittels Fluoreszenzmarkierung erfolgen.
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Buchholz, K., Collins, J. (2022). Pionierentwicklungen in der Gentechnik. In: Eine kleine Geschichte der Biotechnologie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-63988-7_6
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