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Widerstandsfähiges Getreide, das von keiner Krankheit befallen wird - mit Crispr-Cas könnte es wahr werden. Ist das die Zukunft der Landwirtschaft?

Als Crispr-Cas9 (kurz für: Clustered regularly interspaced short palindromic repeats- Cas9-System [1]) wird eine neue gentechnische Methode bezeichnet, die es erlaubt, Gene an einer bestimmten Stelle ein- oder auszuschalten. Während in der herkömmlichen Gentechnik das Fremd-Gen mittels Genkanone in die Zelle geschossen wird, wo es eher zufällig in den Zellkern eindringt, wird nun an einer exakt definierten Stelle der Erbgutstrang zerschnitten [2] Dafür werden Eiweißkomplexe als eine Art biologische Schere benutzt.

Auf diese Weise lassen sich nicht nur "ungünstige" Eigenschaften herausschneiden, sondern auch "günstige" Erbinformationen einfügen, zum Beispiel solche, die die Pflanzen robuster gegen die Witterung, resistenter gegen Schädlinge oder einfach nur ertragreicher macht. [3] Auch die Forschungsbehörde des Pentagon hat damit noch viel vor: Darpa will "einfache Pflanzen als Informationssammler der nächsten Generation". [4]

Als Entdeckerinnen des Verfahrens gelten die französische Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier [5] sowie die amerikanische Biochemikerin Jennifer Doudna [6]. Ursprünglich beruht Crispr-Cas auf einem Immunsystem von Bakterien, mit dessen Hilfe diese sich gegen bakterienspezifische Viren (so genannte Phagen) zur Wehr setzen.

Leistungsfähige Technologie mit großem Potential

Kürzlich entdeckte ein Wissenschaftlerteam um Martin Jinek von der Universität Zürich noch einen weiteren, bisher unbekannten Abwehrmechanismus von Bakterien: Fordert der Angriff der Phagen das Crispr-Cas-Immunsystem zu stark, gibt das System eine Art Notsignal, wodurch ein Enzym aktiviert wird, das dabei helfen soll, die Phagen unschädlich zu machen [7].

Unter Genetikern und Medizinern gilt Crispr-Cas als leistungsfähige Technologie mit großem Potential. Weil einzelne Gene gezielt ausgeschaltet werden, können bestimmte Eigenschaften einer Pflanze, eines Tieres oder auch eines Menschen gezielt geändert werden - und dies mit weniger unerwünschten Nebeneffekten. Seltener wird allerdings erwähnt, dass mit der Genschere auch artfremdes Erbmaterial eingefügt werden und das Erbgut einer Pflanze komplett umgestaltet werden kann.

In Europa wird der Umgang mit genetisch veränderten Organismen durch ein Gentechnik-Gesetz geregelt [8]. Weil aber die Veränderungen durch Crispr-Cas nicht von natürlich auftretenden Mutationen zu unterscheiden sind, brüten die Gesetzgeber über der Frage, ob derartig manipulierte Pflanzen unter das Gentechnik-Gesetz fallen oder nicht. 2018 will der Europäische Gerichtshof darüber entscheiden.

Gendefekte reparieren

Auch genetisch bedingte Krankheiten wie zum Beispiel Stoffwechselerkrankungen, die bisher als unheilbar galten, sollen mit der neuen Methode nun geheilt werden. Möglich scheint auch eine genetische Aufrüstung von Immunzellen zum Kampf gegen Tumoren oder gegen das Immunschwächevirus HIV.

Auf dem Gebiet der Humanmedizin gelang dem Wissenschaftler-Team um Shoukhrat Mitalipov von der Oregon Science and Health University kürzlich ein neuer Vorstoß. Es "reparierte" bei 42 von 58 menschlichen Embryonen das Gen für eine Herzkrankheit, ohne den Embryonen zu schaden. Damit konnten sie einen Gendefekt beheben, der zur Herzmuskelverdickung führt [9].

Durch eine im Dezember 2015 von International Summit on Human Gene Editing bekräftigte Erklärung ist der Eingriff in die menschliche Keimbahn gegenwärtig bislang noch verboten [10]. Würden nicht bald klare ethischen Grenzen gesetzt, warnen Kritiker, werde es immer schwieriger, der so genannten Keimbahntherapie eine Absage zu erteilen [11].

Gentechnik im Öko-Landbau?

Am Leibnizinstitut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung [12] experimentiert man unterdessen mit Gerste, in deren Genom man eine artverwandte DNA einsetzt. Die Wissenschaftler behaupten, diese Eingriffe unterscheiden sich nicht von konventionellen Züchtungen bzw. von Mutationen, die auf natürlichem Weg entstanden sind. Mit Hilfe von Crispr-Cas gehe die "Züchtung" zielgerichteter und schneller [13].

Auch an der Uni Zürich untersucht man, welche Pflanzengene für die Widerstandsfähigkeit gegen Pilze verantwortlich sind. Weil arteigene Resistenzgene mittels Crispr-Cas aktiviert werden, brauchen die neuen Getreidesorten nicht mehr gegen Mehltau oder andere Krankheiten behandelt zu werden.

Eine solche Pflanze wäre ein idealer Kandidat für den ökologischen Landbau, schlussfolgert Adrian Percy. Der Bayer CropScience-Mitarbeiter hält die neuen Methoden absolut vereinbar mit den ökologischen Anbaumethoden. Sein Ziel ist es, Pflanzen zu entwickeln, die widerstandsfähiger sind gegen den Klimawandel, also Dürre und Hitze, aber auch solche, die weniger Dünger brauchen [14].

Viele weitere Wissenschaftler halten das Zerschnippeln von Genomen für gerechtfertigt, wenn sich die Eigenschaften von Pflanzen damit "verbessern" lassen. Umso mehr natürlich, wenn eine Pflanze dadurch schneller auf den Markt gebracht werden kann.

Denn um im Wettbewerb mit anderen Unternehmen mitzuhalten, müssen Pflanzenzuchtunternehmen schnell sein, weshalb sich inzwischen auch kleinere und mittelständische Unternehmen, die jahrzehntelang auf traditionelle Pflanzenzüchtung setzten, mit der neuen Technik befassen [15].

Sollten die manipulierten Pflanzen als gentechnisch veränderte Produkte eingestuft werden, würde eine Zulassung wegen aufwändiger Studien zur Unbedenklichkeit vermutlich so teuer werden, dass sich dies nur noch die großen Konzerne leisten können.

Gen-Mücken aus dem Labor

Ansonsten wird die Methode von Vertretern des Ökolandbaus kontrovers diskutiert. Urs Niggli, Direktor des Forschungsinstituts für biologischen Landbau, zeigt sich von Crispr-Cas begeistert. Doch einige Wissenschaftler und auch die meisten Biobauern äußern sich kritisch.

Regine Kollek zum Beispiel, die an der Uni Hamburg Technologiefolgen-Abschätzung in der Medizin lehrt, bezweifelt [16], dass die Methode wirklich so präzise ist, wie sie immer dargestellt wird. Christoph Then von Testbiotech [17] hält die Gleichsetzung von Crispr-Cas mit herkömmlichen Züchtungsmethoden für irreführend.

Im Gegensatz zu diesen nämlich werde gezielt in die Zelle eingegriffen und der Befehl gegeben, an einer bestimmten Stelle eine Änderung am Erbgut vorzunehmen, erklärt er in einem Interview mit 3sat [18].

Ein solches Vorgehen unterscheidet sich von der klassischen Gentechnik gar nicht so sehr, wie immer behauptet wird. Crispr-Cas gilt zwar als Revolutionierung der Gentechnik, wird aber mit anderen Verfahren wie TALEN [19], RTDS (Rapid Trait Development System [20]) und ODM [21] längst unter dem Oberbegriff Genome Editing geführt.

Gene Drives

So genannte Gene-Drives-Eigenschaften können zu hundert Prozent an die nächste Generation weitergegeben werden [22]. Allerdings sind Gene Drives auch nicht immer erfolgreich. Bekannt wurde der Versuch mit gentechnisch veränderten Mücken zur Bekämpfung von Malaria: Im Laborversuch wurde eine Unfruchtbarkeitsmutation bei weiblichen Mücken an alle ihre Nachkommen weitergegeben.

Die Mutation breitete sich in der erwarteten Häufigkeit über mehrere Generationen aus, bildete dann aber eine Resistenz gegenüber dem Gene Drive aus (siehe Genom-Editierung mit Hindernissen [23]).

Wie bei jedem technischen Eingriff müssten die Folgen mit einkalkuliert werden. Die Natur zum Beispiel kennt keine Schädlinge. Diese werden allein durch den Menschen definiert. Würden alle so genannten Schädlinge ausgemerzt, wären die ökologischen Folgen vermutlich katastrophal, in jedem Fall aber unvorhersehbar. Ganze Arten könnten aussterben.

Fakt ist: Breiten sich genmanipulierte Insekten oder Pflanzen einmal aus, sind sie nicht mehr rückgängig zu machen. Trotz all dieser Vorbehalte und Risiken werden Versuche mit Gene-Drives und Freisetzungen von gentechnisch veränderten Insekten und Säugetieren weiter vorangetrieben.

Denn mit Manipulationen am Erbgut sollen letztlich die großen Probleme der Menschheit wie Krankheiten und Welthunger gelöst werden. Insbesondere die Bill & Melinda-Gates-Stiftung unterstützt Experten und Kampagnen, welche die Akzeptanz für Gene Drives in der Öffentlichkeit erhöhen [24].

Risiken und ethische Fragen

Geht es bei Genome Editing tatsächlich um das Wohl der Menschen? Gerade bei der Anwendung in der Humanmedizin gibt es viele offene Fragen. So ist es zum Beispiel eine Sache, Krankheiten auszuschalten, eine andere ist es, Pflanzen, Tiere, Menschen zu perfektionieren. Wo zieht man die Grenze?

Wird Behinderten und den mit Makel Behafteten schon vor ihrer Geburt das Lebensrecht verweigert? Dürfen eines Tages nur noch genetisch perfekte, fehlerfreie Menschen den Planeten bevölkern? (siehe: Durchbruch der Gentherapie von Menschen mit der Hilfe von Genscheren? [25]) Käme die Genschere in die falschen Hände, räumt [26] die Wissenschaftlerin Jennifer Doudna ein, ließe sich damit eine wie auch immer geartete Eugenik betreiben.

Seit mehr als 30 Jahren begleitet das Gen-ethische Netzwerk kritisch alle Bio- und Reproduktionstechnologien. Würden bei der medizinischen Anwendung von Crispr-Cas auch unbeabsichtigte Effekte diskutiert, so blieben diese bei der Nutzung in der Agro-Gentechnik völlig unbeachtet, heißt es in einer Stellungnahme vom Januar 2017 [27].

So können monogenetische Resistenzen zwar Abhilfe gegen Pilzkrankheiten schaffen, in der Praxis aber passen sich Fusarien und andere Schädlinge schnell an die Pflanze an. Kritisiert wird auch der ganze Wissenschaftsbetrieb drum herum: Wissenschaft muss medial und ökonomisch verwertbar sein.

Forschungsgelder bekommt nur, wer am lautesten mit spektakulären Ergebnissen um die Aufmerksamkeit der Investoren wirbt. Misserfolge werden gar nicht erst veröffentlicht. Unter all dem leide sowohl die Qualität der wissenschaftlichen Arbeit als auch deren kritische Überprüfung von Forschungsergebnissen, kritisiert die Initiative.

Landbewirtschaftung: Das System verändern, anstatt einzelne Gene

Die Auswirkungen und Risiken von Crispr-Cas sind noch nicht ansatzweise erforscht. Auch deshalb distanzieren sich die Öko-Verbände von der neuen Gentechnik, wobei sie sich vor allem auf das Vorsorgeprinzip berufen [28]. Dieses müsse Vorrang vor der Freisetzung genmanipulierter Pflanzen haben, um Gesundheit und Umwelt zu schützen.

Vor diesem Hintergrund fordern sie eine strikte Kennzeichnung der gentechnisch veränderte Produkte. So setzt sich Felix zu Löwenstein, Vorstandsvorsitzender des Bund Ökologische Lebensmittelwirtschaft (BÖLW [29]), für eine traditionelle, standortangepasste Pflanzenzüchtung ein. Anstatt an einzelnen Genomen herumzubasteln, hält er es für sinnvoller, das ganze System der Landbewirtschaftung zu verändern.

Nur in der ökologischen Zucht werde die Entwicklung von Resistenzen gegen Pflanzenkrankheiten auf eine breite Basis gestellt. Konkret müsste zum Beispiel die Bodenfruchtbarkeit gefördert, die Wasserspeicherfähigkeit der Böden erhöht und überhaupt die Pflanzen als Ganzes gestärkt werden, damit sie Schaderregern oder Witterungen besser widerstehen können [30].

Die damit verbundenen Anstrengungen dürften vermutlich größer sein als diejenigen, die es braucht, um ein Gen in einer Pflanze auszuschalten. Langfristig aber wäre eine ökologische, gentechnikfreie Landwirtschaft nicht nur umweltverträglicher, sondern auch billiger. Denn bei den neuartigen Gentech-Methoden geht es wie immer ums Geld - zunächst um die Millionen, die in die Forschung gepumpt werden.

Dann geht es um die Frage, wer ein Patent auf die neuen Verfahren anmelden darf. Denn auch der Markt der Patentierungen ist hart umkämpft [31]. Und nicht zuletzt geht es um die Profite, die Chemie- und Saatgutkonzerne anschließend einstreichen. Vor allem für sie soll sich das Geschäft lohnen.

URL dieses Artikels:
https://www.heise.de/-3928725

Links in diesem Artikel:
[1] http://rna.berkeley.edu/crispr.html
[2] http://www.umweltinstitut.org/themen/gentechnik/gentechnik-bei-pflanzen.html
[3] http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=55379
[4] https://www.heise.de/tp/features/Darpa-will-einfache-Pflanzen-als-Informationssammler-der-naechsten-Generation-3901758.html
[5] https://www.mpg.de/9343753/infektionsbiologie-charpentier
[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Jennifer_Doudna
[7] https://www.nzz.ch/wissenschaft/biologie/crisprcas9-neue-immunabwehr-bei-bakterien-entdeckt-ld.1306598
[8] http://www.gesetze-im-internet.de/gentg/
[9] https://www.nature.com/articles/nature23305?foxtrotcallback=true
[10] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK343651/
[11] http://www.faz.net/aktuell/gesellschaft/gesundheit/forscher-reparieren-defektes-gen-bei-embryonen-15135247.html
[12] http://www.ipk-gatersleben.de/
[13] http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=55379
[14] http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=68553
[15] http://www.deutschlandfunk.de/landwirtschaft-gentechnik-als-neue-option-fuer-den.697.de.html?dram:article_id=350456
[16] https://www.biogum.uni-hamburg.de/politikberatung/politikberatung-med/institutionen/kollek.html
[17] https://www.testbiotech.org/user/6
[18] http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=55379
[19] http://www.transgen.de/lexikon/1847.talen-transcription-activator-effector-nuclease.html
[20] http://nabc.cals.cornell.edu/Publications/Reports/nabc_26/26_2_3_Gocal.pdf
[21] http://genok.no/wp-content/uploads/2015/06/250615_Emerging_technologies_final.pdf
[22] https://www.heise.de/tp/features/CRISPR-Genom-Editierung-mit-unerwuenschten-Nebenwirkungen-3729520.html
[23] https://www.heise.de/tp/features/Genom-Editierung-mit-Hindernissen-3618221.html
[24] https://www.testbiotech.org/node/2114
[25] https://www.heise.de/tp/features/Durchbruch-der-Gentherapie-von-Menschen-mit-der-Hilfe-von-Genscheren-3891785.html
[26] https://www.focus.de/wissen/mensch/nobelpreis/wissen-der-nobelpreis-zwei-professorinnen-und-das-ende-einer-freundschaft_id_7654032.html
[27] http://www.gen-ethisches-netzwerk.de/februar-2017/praezise-technik-kritik-genome-editing-stellungnahme
[28] https://www.demeter.de/verbraucher/aktuell/oekolandbau-bietet-bessere-moeglichkeiten-als-CRISPR-Cas
[29] https://www.boelw.de/
[30] http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=68553
[31] https://www.nzz.ch/wissenschaft/gentechnologie-die-eu-erteilt-crispr-patent-an-das-broad-institute-ld.148739
[32] https://www.testbiotech.org/sites/default/files/Testbiotech_Neue%20Gentechnikverfahren_0.pdf
[33] https://www.keine-gentechnik.de/dossiers/neue-technologien/

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