Grüne Gentechnik – Definition und Anwendungen

Die Gentechnik hat seit ihrer Einführung in den 1970er-Jahren komplett neue Möglichkeiten für Forschung, Entwicklung, Landwirtschaft und Medizin eröffnet. Ihre Anwendung wird aber seit Beginn an von vielen auch kritisch gesehen und häufig diskutiert. Aktuell ist rund um die geplante Reform der geltenden Regelungen zu gentechnisch veränderten Organismen erneut eine Debatte entfacht.

Was ist „Gentechnik“?

Als Gentechnik werden allgemein all jene Verfahren bezeichnet, bei denen das Erbgut von Organismen gezielt verändert wird, die daraus resultierenden Organismen nennt man gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Gentechnische Methoden erlauben es heute, Gene gezielt abzuschalten sowie ihre Aktivität zu erhöhen oder zu vermindern. Auch zusätzliche Gene können in das Erbgut eingeschleust werden. Sind diese artfremd, spricht man von transgenen Organismen [1].

Kleine Geschichte

Gentechnische Methoden werden heute mittlerweile standardmäßig in vielen Laboren angewandt und sind aus dem Alltag von Forschung, Entwicklung, Landwirtschaft und Medizin nicht mehr wegzudenken.

Die Geschichte der Gentechnik geht weit zurück, ihre Geburtsstunde war 1973: In diesem Jahr gelang es dem US-amerikanischen Biochemiker Stanley Cohen und Kolleg:innen, ein Antibiotikaresistenzgen von einem Darmbakterium (Escherichia coli) in ein anderes einzuschleusen. Der erste GVO war somit geschaffen. Im selben Jahr wurden zum ersten Mal auch die DNA von Säugetieren gentechnisch manipuliert, veröffentlicht wurde diese Neuerung 1974. 1983 wurde dann die erste GV-Pflanze hergestellt: Jeff Schell und seinem Kollegen Marc van Montagu gelang es erstmals, ein fremdes Gen in eine Pflanze einzuschleusen. Bei der ersten gentechnisch veränderten Pflanze handelte es sich um eine Tabakpflanze, die resistent gegen das Antibiotikum Kanamycin war [2]. Gut zehn Jahre nach diesem Durchbruch kamen die ersten herbizidtoleranten Sojabohnen auf den Markt.

Die Menschheit beeinflusst das Erbgut von Pflanzen & Co aber schon um einiges länger. Denn vor rund 10 000 Jahren begannen die Menschen, Pflanzen und Tiere mit bestimmten erwünschten Merkmalen auszuwählen und gezielt zu kreuzen. Diesen Vorgang nennt man „selektive Zucht“ oder „künstliche Selektion“. Daraus gingen sowohl die Vielfalt an den heute bekannten Haustieren als auch an Obst und Gemüse hervor. So etwa wurden Brokkoli, Karfiol und viele Kohlsorten aus dem Wildkohl gezüchtet [3], [4].

Mit der Entdeckung der Genschere CRISPR/Cas und den damit verbundenen Anwendungsmöglichkeiten, die zuvor nicht denkbar gewesen waren, kam es in den 2010er Jahren dann zu einer Revolution in der Gentechnik. Die CRISPR/Cas-Technologie ermöglicht es, Veränderungen im Erbgut von Organismen schneller, einfacher und präziser vorzunehmen als es zuvor möglich gewesen war. Dies hat unter anderem auch zu einem rasanten Fortschritt in der Gentechnik beigetragen [5].

Die vielen Farben der Gentechnik

Je nach Anwendungsbereich unterscheidet man verschiedene Arten von Gentechnik, die farblich unterteilt werden und die alle auf der Möglichkeit beruhen, das Erbgut von Organismen gezielt verändern zu können.

• Die Weiße Gentechnik nutzt gentechnisch veränderte Mikroorganismen für die industrielle Produktion von z.B. Biokunststoffen.
• Die Rote Gentechnik setzt genetisch veränderte Organismen in der Medizin ein.
• Die Graue Gentechnik verfolgt das Ziel, mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen Müll zu recyclen oder Abwasser aufzureinigen.
• In der Blauen Gentechnik nutzt man Gentechnik im Wasser, z.B. Fische oder Algen, um Biokraftstoffe herzustellen.
• Die Grüne Gentechnik beschäftigt sich mit dem Einsatz gentechnischer Methoden in der Pflanzenzüchtung und der möglichen Nutzung von gentechnisch veränderten Pflanzen (GV-Pflanzen) in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion.

Aktuell (Stand Mai 2024) sind 98 verschiedene GV-Pflanzen in der EU für den Import zugelassen. In Österreich ist der Anbau von GV-Pflanzen aktuell jedoch verboten [6].

Beispiele für die Nutzung der Grünen Gentechnik

Die grüne Gentechnik wird heute vor allem dazu eingesetzt, um Pflanzen mit vorteilhaften Eigenschaften auszustatten. Erlangen Pflanzen so beispielsweise Herbizidresistenzen, so können Felder mit speziellen Unkrautvernichtungsmitteln (Herbiziden) besprüht werden, ohne dass die GV-Pflanzen Schaden davontragen, während alle anderen Pflanzen bzw. alles Unkraut dadurch abgetötet werden. Auch Pflanzen, die gegen Schädlinge resistent oder widerstandsfähiger gegen bestimmte Umweltbedingungen wie Hitze oder Dürre sind, können durch Gentechnik hergestellt werden.

Ein bekanntes Beispiel für die Anwendung Grüner Gentechnik ist etwa der Bt-Mais,

auch als „Genmais“ bekannt. Bei diesem handelt es sich um eine transgene Pflanze, die ein Resistenzgen des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis enthält. Dieses sorgt dafür, dass Eiweißstoffe in der Pflanze produziert werden, die für Larven bestimmter Fraßschädlinge, vor allem für den Maiszünsler, giftig sind und zum Absterben der Larven führen [7]. So kann auf den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zur Zünslerbekämpfung verzichtet werden, und es werden Arbeitszeit und Kosten gespart. In Europa darf gentechnisch veränderter Bt-Mais der Linie MON 810 als einzige transgene Pflanze angebaut werden. Österreich hat hier jedoch wie auch viele andere Länder die Ausstiegsklausel in Anspruch genommen und den Anbau von Bt-Mais nicht zugelassen.

Weit verbreitet sind auch transgene Baumwolle sowie Soja mit Herbizid- aber auch Fraßschädlingsresistenzen. 

GV-Reis, auch als "Golden Rice" bekannt, hat durch gentechnische Veränderung einen höheren Gehalt an Beta-Carotin und wurde entwickelt, um Menschen in ärmeren Regionen der Erde eine bessere Versorgung mit diesem Provitamin zu ermöglichen.

Ein weiteres Beispiel für eine gentechnisch veränderte Pflanze ist die Amflora Kartoffel, die für industrielle Anwendungen, wie etwa für Tapetenkleister, gentechnisch verändert wurde [8].

2021 kamen in Japan die Samen einer mit CRISPR veränderten Tomate, der „"Sicilian Rouge High“, auf dem Markt [9]. Sie besitzt einen höheren Anteil an Gamma-Amino-Buttersäure und hat das Ziel dadurch den Blutdruck zu senken.

In den USA gibt es seit 2023 auch eine Salatmischung, die durch Veränderungen mittels CRISPR/Cas weniger bitter schmecken soll [10].

Was sich nicht durchgesetzt hat: 1994 wurde die sogenannte Flavr-Savr-Tomate als erstes gentechnisch verändertes Nahrungsmittel in Amerika zugelassen. Sie war aufgrund eines ausgeschalteten Gens länger haltbar als konventionelle Tomaten. Da sie bei den Konsument:nnen allerdings keinen großen Anklang fand, wurde die „Anti-Matsch-Tomate“ bereits 1997 wieder vom Markt genommen.

Bei den 98 verschiedene GV-Pflanzen, die aktuell für den Import in die EU zugelassen sind, handelt es sich hauptsächlich um Mais, Raps, Soja, Zuckerrüben und Baumwolle. Aber auch gentechnisch veränderte Nelken mit veränderter Blütenfarbe oder längerer Haltbarkeit dürfen in die EU und somit auch nach Österreich importiert werden. Die Freisetzung oder der Anbau von GVO ist jedoch in Österreich verboten [11], [12].

Mutationen – der Grund für Vielfalt

Die DNA ist der Speicher der Erbinformation von Lebewesen und auch von Viren. Veränderungen der DNA – so genannte Mutationen – sind grundlegende Prozesse der Evolution und die Voraussetzung für die Entstehung neuer Eigenschaften und die Vielfalt der Lebewesen auf unserer Erde, die es heute gibt.

Durch Mutationen verändert sich die Zusammensetzung (Basenabfolge) der DNA in bestimmten Abschnitten. Dies kann zufällig erfolgen, wenn Mutationen spontan auftreten: Mutationen entstehen zu einem bestimmten Prozentsatz ganz natürlich, etwa durch Fehler beim Verdoppeln des Erbmaterials bei der Zellteilung, man spricht von einer „natürlichen Mutationsrate“.

Mutationen können auch von außen induziert werden, wobei so genannte Mutagene eine wesentliche Rolle spielen – so werden äußere Einwirkungen bezeichnet, die das Erbgut eines Organismus verändern. Es können physikalische Mutagene (z.B. Strahlung, hohe Temperaturen), chemische Mutagene (z.B. Stoffe, die im Tabakrauch oder in Giften von Schimmelpilzen zu finden sind) sowie biologische Mutagene (z. B. spezielle Viren) unterschieden werden. Auch die UV-Strahlung der Sonne oder energiereichere Strahlung kann zu Veränderungen im Erbgut führen [13],[14]. Je nachdem, welche Abschnitte der DNA davon betroffen sind, bleiben Mutationen ohne Auswirkung oder verändern die Eigenschaft des betroffenen Organismus. Mutationen sind die Quelle natürlicher Vielfalt und Basis für die Züchtung von Pflanzen und Tieren.

Kreuzungszüchtungen

Um die Qualität von Nutzpflanzen zu verbessern, werden bei der klassischen Kreuzungszüchtung vereinzelte Wildpflanzen mit einem gewünschten Merkmal wie etwa Größe, Farbe oder Geschmack ausgewählt und mit einer bereits kultivierten Pflanze gekreuzt. Bei dieser Methode ist es aber nicht mit einer Kreuzung getan, sondern mehrere Kreuzungsschritte sind notwendig, bis eine neue Kultursorte mit den gewünschten Merkmalen entsteht. Dieses Vorgehen kann je nach Nutzpflanze mehrere Jahre dauern. Hierfür gibt es keine gesetzlichen Regelungen, da diese Kultursorten nicht als GVO gelten.

Bei Pflanzen, die durch sogenannte ungerichtete Mutagenese gentechnisch verändert wurden, wird die natürliche Mutationsrate beschleunigt: Pflanzen werden radioaktiver Strahlung, Röntgenstrahlung oder mutagenen Chemikalien ausgesetzt, die willkürliche Mutationen hervorrufen. Nach diesem Schritt werden die Pflanzen auf neue Eigenschaften, die sie durch die Mutation erlangt haben, untersucht. Ausgewählte Pflanzen mit vorteilhaften Eigenschaften werden dann in vorhandene Sorten eingekreuzt, um so verbesserte Kultursorten zu entwickeln. Laut EU-Gentechnik-Gesetz zählen durch Mutagenesezüchtung entstandene Kultursorten von Pflanzen zu den GVO. Es werden so Pflanzen erzeugt, die man in der Natur nicht erhalten würde. Für den Umgang mit dieser Form gentechnisch veränderter Pflanzen gibt es jedoch keine gesetzlichen Regelungen – weder Zulassungs- noch Kennzeichnungsvorschriften.

Viele der durch Mutagenese erzeugten Sorten haben Eigenschaften, die dem Menschen zugutekommen. Sie sind häufig widerstandsfähiger gegenüber den Bedingungen der Umwelt, wie beispielsweise Hitze, Dürre oder Schädlinge und Fraßfeinde. Zusammen mit verbesserten Anbautechniken trug der Einsatz der gezielten Mutagenese und anschließenden Selektion von Pflanzen ab den 1960er-Jahren zu einer deutlichen Ertragssteigerung, speziell in den Entwicklungsländern, bei. Man bezeichnet dies als „grüne Revolution“.

Neue genomische Techniken

Es ist schon seit langem möglich, mithilfe molekularbiologischer Methoden gezielte Eingriffe in das Erbgut vorzunehmen – den ersten GVO gab es bereits 1973. Eine weit verbreitete Technologie, um Veränderungen an der DNA vorzunehmen, ist die so genannte Transgenetik. Mit ihr werden Gene von eine auf eine andere Organismenart übertragen und ins Erbgut eingefügt – etwa von einem Bakterium in eine Pflanzenzelle. Auf diese Weise entstandene neue transgene Kultursorten vereinen die DNA von zwei unterschiedlichen Organismenarten, was bei der natürlichen Kreuzung nicht vorkommen kann [15], [16]. Bei der Cisgenetik hingegen werden Gene innerhalb von Organismen derselben Art übertragen. Beispielsweise kann so ein Tomatengen von einer Tomatenpflanze in eine andere Tomatenpflanze eingefügt werden.

Über die Jahre hinweg haben Wissenschaftler:innen laufend daran gearbeitet, die Werkzeuge der Gentechnik zu verbessern und verschiedenste molekularbiologische Methoden entwickelt. Diese haben es ermöglicht, dass gentechnische Veränderungen heute präzise und rasche durchgeführt werden können. Allen voran ist hier die Genschere CRISPR/Cas zu nennen, mit deren Hilfe DNA einfach, schnell und vor allem genau an einer bestimmten Stelle geschnitten und verändert werden kann, und das in nahezu allen lebenden Zellen und Organismen. Das neue Präzisions-Werkzeug ermöglicht es, DNA gezielt im Genom zu entfernen oder einzufügen und wird als Revolution der Gentechnik gefeiert. Sie wird mittlerweile standardmäßig in Forschung und Entwicklung eingesetzt und hat auch maßgeblich dazu beigetragen, dass der Fortschritt in der Gentechnik beschleunigt wurden. Die „Erfinderinnen“ des CRISPR/Cas-Verfahrens, Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier, erhielten 2020 für ihre Arbeit den Nobelpreis für Chemie.

Die Genschere ist eines jener Präzisionswerkzeuge der Gentechnik, die zu den so genannten „neuen genomischen Techniken“ (NGT) gezählt werden.

GVO vs. „natürlich“ – die Markergene

Das österreichische Gentechnikgesetz besagt, dass „Organismen, deren genetisches Material so verändert worden ist, wie dies unter natürlichen Bedingungen durch Kreuzen oder natürliche Rekombination oder andere herkömmliche Züchtungstechniken nicht vorkommt“ per Definition als genetisch veränderte Organismen (GVO) gelten. Diese Definition beruht darauf, dass man die Herkunft der genetischen Veränderungen, sei sie natürlich oder gentechnisch, unterscheiden kann [17].

Der Anbau von GV-Pflanzen ist ebenfalls im Österreichsichen Gentechnikgesetz geregelt und muss behördlich beantragt werden. Die gesetzlichen Regelungen betreffen das Arbeiten, das Inverkehrbringen und den Anbau von GVO und die daraus entstandenen Produkte. Zusätzlich gibt es noch Bundesländer-spezifische Gentechnik-Vorsorgegesetze sowie Verordnungen und Richtlinien der Europäischen Union (EU) [18],[19].

Auch die Wissenschaftler:innen haben Interesse daran, gentechnisch veränderte Pflanzenzellen erkennen zu können, denn die Erfolgsquote bei gentechnischen Manipulationen ist häufig gering. Um erfolgreich veränderte Zellen von anderen unterscheiden zu können, werden deshalb gemeinsam mit der DNA-Zielsequenz auch Marker- oder Selektionsgene mit übertragen. Diese können der Zielzelle beispielsweise Antibiotika- oder Herbizidresistenz vermitteln und erlauben somit eine Selektion der erfolgreich gentechnisch veränderten Zellen.  Eine andere Möglichkeit ist die Zugabe eines Stoffwechselmarkers, der Pflanzen nur bei Versorgung mit bestimmten Nährstoffen wachsen lässt. Eine weitere Option zur Selektion ist das Einfügen des Gens, das für das Green fluorescent protein (GFP) codiert, zusammen mit dem Zielgen. Zellen, die die gewünschte DNA aufgenommen haben, leuchten dann unter dem Mikroskop grün.  

Die neuen Methoden der Genomeditierung, wie beispielsweise die CRISPR/Cas-Technologie, ermöglichen heute das Herstellen gentechnisch veränderter Pflanzen ohne die Verwendung von Markergenen, die bisher noch charakteristisch für diese waren. Daher ist es seit der Anwendung von NGT auch schwieriger geworden, zwischen jenen Veränderungen des Genoms zu unterscheiden, die  natürlich aufgetreten sind und solchen, die mittels Gentechnik eingeführt wurden [20], [21].

Übrigens: Die Gentechnik-Gesetzgebung in der EU soll reformiert und Pflanzen, die mit neuen genomischen Techniken (NGT) gezüchtet wurden sowie deren Produkte leichter zugelassen werden. Detaillierte Information dazu bietet unser Beitrag "Reform zur Grünen Gentechnik: Lockerungen in der EU geplant"