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Wissenschaft? Die ersten Molekularen Scheren, welche die Ära der Molekuarbiologie einleuteten gab es schließlich in den 1960er Jahren. Molekulare Scheren werden in der Wissenschaft als Restriktionsendonukleasen bezeichnet, also Enzyme welche DNA schneiden können. Damals waren diese Scheren jedoch sehr viel zu ungenau, weil sie nur eine Sequenzabfolge aus vier bis acht Basenpaare erkennen konnten, welche ungefähr 1 Millionen Mal im menschlichen Erbgut vorkommen würden und da das menschliche Erbgut nur aus rund 3 Millionen Basenpaaren besteht würde diese Schere sinngemäß Kleinholz aus unserem Erbgut machen. In den 1990ern gab es dann immerhin die erste molekulare Schere, die in Pflanzen und Humanzellen. Sie wurde aus der Hefe entnommen und kann eine Sequenz 20 bis 24 Basenpaare erkennen, also gehört zu der Klasse der Meganukleasen. Sie könnte also potentiell eine einzigartige Stelle im Genom schneiden, aber sie war schwer zu reprogrammieren also aus einer natürlich vorkommenden Meganuklease ein Werkzeug zur gezielten Anwendung zu schaffen. 1990 wurde außerdem zum ersten Mal CRISPR gefunden, jedoch wurde es als DNA- Müll gehalten. 2008 dann der Durchbruch mit der Entdeckung von TALEN. Ein Verfahren mit hoher Präzision, dass einzige Problem war die langwierige Herstellung und das nötige Wissen über die Molekularbiologie. All diese Probleme sind also scheinbar 2012 mit CRISPR behoben. Endeckt von Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna ist CRISPR vergleichsweise einfach, präzise, günstig, vielseitig Einsetzbar und schnell in der Herstellung. Doch woher kommt überhaupt das Werkzeug CRISPR/Cas9. Das CRISPR/Cas9 System wurde von Charpentier und Doudna erstmalig in dem Bakterium streptococcus pyogenes gefunden wie es sich vor Viren schützt. Dieses Bakterium kann zum Beispiel Scharlach oder Mandelentzündungen hervorrufen, muss sich aber auch selbst vor Viren schützen. Das schafft es mit Hilfe von zwei Bereichen dem Archiv und dem Schneidewerkzeug. Jedes Mal, wenn dieses Bakterium mit einem Virus in Berührung kommt speichert es also ein Teil der viralen DNA ab in Form von Spacern ab. Diese sind bei einer erneuten Infektion von Bedeutung, denn dann prüft das Bakterium den Virus anhand den Spacern, also ob dieser Virus dem Bakterium schon bekannt ist. Das heißt also, dass der CRISPR- DNA Abschnitt, in welchem sich die Spacer und Repeats befinden transkribiert wird in die Prä- CRISPR RNA oder kurz Prä-crRNA und dann in reife CRISPR RNA aufgeteilt wird. Diese crRNA verbindet sich dann mit dem CRISPR-assoziierten Protein also kurz Cas und dient als Navigationssystem der DNA-Schere, also wird sie auch Leit-RNA genannt. Die crRNA und Cas bilden also zusammen den CRISPR/Cas- Komplex, welches dann die virale DNA durchgeht und die Sequenz der Basenpaare vergleicht und dann schneidet. Der Angriff des Virus ist also abgewehrt. CRISPR steht also für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, was auf Deutsch soviel heißt wie gehäuft Auftretende mit regelmäßigen Zwischenräumen angeordnete kurze palindromische Wiederholungen. Das heißt also dieser CRISPR-DNA-Abschnitt ist ein Abschnitt in einem Chromosom des Bakteriums, welcher zum einen die Spacer beinhaltet, also die verschieden Proben der bekannten viralen DNA und den Repeats, welche lediglich die palindromischen Wiederholungen darstellen. Um dieses komplexe Abwehrsystem zu verstehen hier also nochmal der sequenzielle Ablauf. Es folgt die Infizierung des Bakteriums durch ein Virus. Die virale DNA wird in den CRISPR Abschnitt aufgenommen und bei erneuter Infizierung transkribiert in Prä-crRNA, welche dann in Form von der reifen crRNA mit der Genschere Cas9 verbindet und als Komplex die virale DNA schneidet und somit unschädlich macht. CRISPR/Cas9 ist jedoch nicht nur ein Abwehrsystem, sondern auch ein Werkzeug zum Umschreiben von Erbsubstanz. Während man früher für jede genetische Modifikation ein eigenes spezifisches Enzym bilden musste kann man bei CRISPR nur noch die Leit-RNA vorgeben, welche dann zusammen mit Cas die DNA an angegebener Stelle schneidet bzw. verändert. Die Leit-RNA nochmal zum Verständnis setzt sich aus der Spacer und Repeat RNA zusammen. Im Abwehrsystem sind diese beiden RNAs getrennt während Wissenschaftler diese verbinden um ein Zweikomponentensystem zu schaffen, welches einfacher zu bedienen ist. Mit CRISPR kann sowohl eine Punktmutation, also der Austausch eines einzelnen DNA- Baustein als auch eine Deletion und Insertion durchgeführt werden. Somit wird an Therapieverfahren gegen verschiedenste Krankheiten, wie zum Beispiel Krebs gearbeitet und außerdem ein „genetischen Impfstoff",das heißt eine Gesunde Zelle vor Viren schützen, indem man die Zelle immunisiert indem man kurze Sequenzen aus dem Genom des Virus in sie einbaut. Also ähnlich wie bei den Bakterien. Seit 2013 also 1 Jahr nach der Entdeckung werden Forschungen zu CRISPR an Pflanzen- und Tierzellen durchgeführt und so zum Beispiel auch das Ausrotten von Population wie z.B der Malariamücke. Es wird sogar schon daran gearbeitet ausgestorbene Tiere wieder zum Leben zu erwecken, so zum Beispiel ein Mammut oder auch Neandertaler. Doch CRISPR könnte in Zukunft nicht nur Einfluss auf die Medizin, sondern auch auf die Landwirtschaft nehmen, denn auch Tiere und Pflanzen kann man mit CRISPR genetisch verändern und sie somit gegen Schädlinge, Krankheiten und allgemeine Wetterbedingungen die möglicherweise durch den Klimawandel verstärkt werden schützen. Doch nicht nur das man kann sie auch nährstoffreicher machen und damit eine neue Möglichkeit schaffen den Welthunger zu verringern. Dadurch das die Pflanzen genetisch gegen Schädlinge resistent gemacht werden könnte außerdem den intensiven Einsatz von Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft verringern, welcher die Pflanzenwelt verarmt und vielen Vögeln Säuger und anderen Tierarten der Agrarlandschaft die Nahrungsgrundlage weitestgehend entzogen wird. Jetzt wo alle Möglichkeiten offen liegen müssen natürlich Studien und Experimente diese Thesen beweisen und belegen. So haben im April 2015 chinesische Forscher ein Eingriff in das menschliche Erbgut durchgeführt. Sie haben ein Gen in nicht überlebensfähigen Embryos verändert, das in mutierter Form zu Beta-Thalassämie geführt hätte. Beta-Thalassämie ist... Die Ergebnisse waren jedoch nicht wie erhofft und so haben nur 4 Embryos von 86 überlebt und das veränderte Gen wie gewünscht aufgewiesen. Heißt also auch, dass CRISPR noch nicht erforscht genug ist um gentechnische Eingriffe an menschlichen Embryonen zu wagen. Diese Art von Experiment ist übrigens in Deutschland grundsätzlich verboten. Doch genau diese Grenze hat He Jiankui ebenfalls ein chinesischer Forscher mit seiner Forschung überschritten. Es ist heute bekannt, dass er diese Eingriffe warscheinlich garnicht durchgeführt wurde, jedoch haben sie auf Probleme des Verfahrens hingewiesen. He Jiankui wurde zu drei Jahren Haft verurteilt. Tagesschau vor 1 Woche. Er hat jedenfalls behauptet mit seinem Forscher Team die ersten genetisch editieren Menschen erschaffen. Die sogenannten Designerbabys namens Lulu und Nana die er gegen HIV immunisiert haben soll. Dies stieß aber nicht wie von He Jiankui erhofft auf Begeisterung, sondern auf eine Weltweite Debatte und Empörung. Es wurden vordergründig ethische Bedenken diskutiert, aber auch ob der Eingriff tatsächlich notwendig war. Fest steht jedoch, dass dieser Forscher gegen das Gesetz verstoßen hat und jedem Wissenschaftlichen Kodex wiederspricht und er die Versuche nicht bei den zuständigen Behörden angemeldet hat. Bislang sind Veränderungen von Genen in der Keimbahn des Menschen nicht erlaubt sind. Der deutsche Ethikrat sagt folgendes nach den etablierten Maßstäben der Forschungsethik: „ Der Einsatz von Genome-Editing am menschlichen Embryo ist zum jetzigen Zeitpunkt und beim derzeitigen Stand der Technik in keiner Weise zu verantworten, die Menschheit muss ein Mitspracherecht haben. Immerhin betrifft es nicht nur Lulu und Nana, sondern alle ihre Nachkommen und es handelt sich um einen Eingriff in die biologische Grundlage des Menschen“,das heißt aber auch, dass nicht nur Lulu und Nana auf lange Sicht unklare Folgen des Eingriffs mit sich tragen, sondern auch alle ihre Nachkommen. Welche Folgen diese Eingriffe haben könnten sind nicht klar aber es gibt trotzdem einige Risiken, welche die Anwendung von CRISPR und die Zukunftsperspektive immens einschränkt... So sind genau diese Grenzen von therapieren also das heilen von zum Beispiel Krebs und optimieren nicht klar und der ethische Faktor leicht übergangen. Das Optimieren würde sich dann auf zum Beispiel die Augenfarbe beziehen oder auch die Größe. Eine der Risiken die Lulu und Nana in ihrem Leben bevorstehen, wenn dieser Eingriff tatsächlich so passiert ist könnten Off-Target Ereignisse sein, also zusätzlich oder fehlende Schnitte, welche im schlimmsten Fall zu Krebs führen und so ist auch die gesundheitliche Wirkung auf den menschlichen Organismus im allgemeinen und die Langzeitwirkung auf das Ökosystem durch das ausrotten von Populationen wie z.B. Malariamücken nicht sicher. Das könnte z.B. Erbanlagen mit gefährlichen Mutationen kreieren. So ist natürlich auch die Gefahr von Missbrauch selbsterklärend und zeigt wie CRISPR als gefährliche Waffe genutzt werden kann und Menschen dazu verleitet alles zu Perfektionieren und den optimalen Menschen zu designen. Das heißt also CRISPR hat nicht nur positive Seiten, welche im Internet sehr im Vordergrund stehen, sondern auch negative Seiten. CRISPR hat das Potenzial die moderne Medizin zu revolutionieren, so ist es Forschern zum Beispiel schon gelungen Trisomie 21 von im Labor gezüchteten Zellen zu heilen. Immerhin gibt es ca. 10.000 erbliche Erkrankungen, die nur von einem Gen verursacht werden und somit durch CRISPR behandelt werden können. Und auch in der Landwirtschaft erleichtern CRISPR vieles. Im Zuge der Landwirtschaft kann dann eben auch der Welthunger verringert werden. CRISPR/Cas9 ist im Vergleich zu früheren Methoden einfach, schnell, präzise, und vielseitig. Doch all dies wird nicht möglich sein, wenn einige dieser Kontra Punkte geklärt werden. Dazu gehören Unklarheiten zu der Wirkung auf den menschlichen Organismus und auf das Ökosystem, aber auch die ethischen Grenzen und auch die Gesetzgebung, welche International geregelt werden müssten. Tatsächlich gibt es zwei Probleme, welche häufig in all den positiven Aspekten verloren gehen. Erstens, die Reparatur von Genen klappt vergleichsweise nur in wenigen Zellen. Die Zelle muss schließlich nach einem Eingriff die beiden DNA-Stränge wieder korrekt ergänzen und zusammenfügen. Dieser Reparaturmechanismus klappt jedoch nur in Zellen welche sich noch teilen. Das heißt, dass die meisten Körperzellen wie Nerven-, Muskel-, Leber-, oder Blutstammzellen von dem Verfahren ausgeschlossen sind. Zweitens, wie kommt CRISPR/Cas9 zu seinem Einsatzort? Man kann CRISPR nicht in Form von einer Tablette oder Spritze verabreichen, da weder RNA-Moleküle noch Enzyme wie Cas 9 durch die Zellmembran gelangen und außerdem im Verdauungstrakt zerstört werden. Es wird also Momentan an einem Vehikel in Form eines Liposom oder auch Fetttröpfchen gearbeitet, welches den CRISPR/Cas9 Komplex in seinem Inneren einschließt und sie somit durch die Blutbahn zu den Zellen mit dem Gendefekt transportiert. Liposomen sind jedoch zurzeit noch nicht für den medizinischen Einsatz ausgereift. CRISPR/Cas9 hat also großes Zukunftspotential in vielen Anwendungsbereichen insbesondere in der Medizinischen und Landwirtschaftlichen Hinsicht. Mit diesem genialen Werkzeug der Genom- Editierung könnte man in Zukunft also Therapieverfahren für zum Beispiel Aids, Krebs oder Schizophrenie und in landwirtschaftlicher Hinsicht resistente Pflanzen und Tiere schaffen. Dennoch müssen weitere Forschungen zu CRISPR durchgeführt werden um Unklarheiten und Fragen zu klären und um mögliche Risiken zu minimieren. Die genetische Optimierung ist und sollte unverantwortlich und verboten bleiben. Somit muss also auch die internationale Gesetzgebung angepasst werden um Forschungen wie zu den Designerbabys zu vermeiden und rechtlich zu verfolgen und der gesellschaftliche Aushandlungsprozess muss vorangetrieben werden. CRISPR/Cas9 Wie funktioniert es ? - Die revolutionäre Methode der Genom-Editierung- Was kann es bewirken? M Warum ist es revolutionär? Was sind mögliche Risiken? 1 Ⓒ Ziele der Forschung zu CRISPR 1 Der Ursprung von CRISPR/Cas 2 Was ist CRISPR? 3 Das CRISPR/Cas-System 4 5 CRISPR für die Wissenschaft nutzen CRISPR revolutioniert die Landwirtschaft Gliederung 6 Embryonen Forschung 7 Das Überschreiten der Grenze 8 Die Risiken des CRISPR- Verfahren 9 CRISPR-Segen und Fluch 10 Fazit und Beantwortung der Leitfrage Leitfrage CRISPR- Eine gentechnische Revolution mit Zukunftsperspektive? 3 Der Ursprung von CRISPR/Cas ● ● ● 1960er Jahre: Die ersten molekularen Scheren Noch nicht in pflanzlichen oder menschlichen Zellen anwendbar, ungenau 1990er Jahre: Erste molekulare Schere, die in Pflanzen- und Humanzellen einsetzbar ist Schwierige "Reprogrammierung", aufwendige und langwierige Herstellung 2008: Entdeckung TALEN (Transkriptionsaktivator-artige Effektor-Nuklease) Hohe Präzision, viel molekularbiologisches Knowhow vorausgesetzt bei der Herstellung 2012: Entdeckung CRISPR: Revolution der Genom-Editierung einfach, präzise, günstig, vielseitig Einsetzbar, schnelle Herstellung ● 4 Leitfrage: CRISPR- eine gentechnische Revolution mit Zukunftsperspektive? Was ist CRISPR? ● Revolutionäres Verfahren der Geneditierung • Ansteuern und Schneiden bestimmter Stellen im Erbgut von Lebewesen CRISPR/Cas ist eigentlich ein Abwehrsystem von Bakterien gegen Viren Wissenschaftler nutzen es um Gendefekte im Erbgut zu korrigieren und Infektions- und Erbkrankheiten heilen ● Kulturpflanzen resistent gegen Krankheitserreger machen • Therapieverfahren für Aids, Schizophrenie, Krebs (großer Einfluss auf die moderne Medizin) LO 5 Leitfrage: CRISPR- eine gentechnische Revolution mit Zukunftsperspektive?